memoria de calculo hidraulico 1

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MEMORIA DE CALCULO HIDRAULICO Proyecto: “Mejoramiento del Servicio de Agua Potable e Instalación del alcantarillado sanitario en la asociación de vivienda Las flores de San Agustín, Distrito Nuevo Imperial, Provincia Cañete, Región Lima”. ÍNDICE ÍNDICE 10.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES Definición de los sistemas 3.1.2 Caudal de demanda 3.1.3 Período de diseño para redes colectoras 3.1.4 Población y densidad poblacional 3.1.5 Dotación de agua 3.1.6 Coeficiente de variación del consumo de alcantarillado. 3.1.7 Contribución al desagüe. 3.1.8 Criterios de ubicación para el diseño de redes de alcantarillado. 3.1.9 Diseño hidráulico. 10.4.2 CALCULO HIDRAULICO DE COLECTORES (HOJA DE CALCULOS) MUNICIPALIDAD DISTRITAL DE NUEVO IMPERIAL

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MEMORIA DE CALCULO HIDRAULICOProyecto: “Mejoramiento del Servicio de Agua Potable e Instalación del alcantarillado sanitario en la asociación de vivienda Las flores de San Agustín, Distrito Nuevo Imperial, Provincia Cañete, Región Lima”.

ÍNDICE

ÍNDICE

10.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES

10.4.1.1 Definición de los sistemas3.1.2 Caudal de demanda3.1.3 Período de diseño para redes colectoras3.1.4 Población y densidad poblacional3.1.5 Dotación de agua 3.1.6 Coeficiente de variación del consumo de alcantarillado.3.1.7 Contribución al desagüe.3.1.8 Criterios de ubicación para el diseño de redes de alcantarillado.3.1.9 Diseño hidráulico.

10.4.2 CALCULO HIDRAULICO DE COLECTORES(HOJA DE CALCULOS)

MUNICIPALIDAD DISTRITAL DE NUEVO IMPERIAL

MEMORIA DE CALCULO HIDRAULICOProyecto: “Mejoramiento del Servicio de Agua Potable e Instalación del alcantarillado sanitario en la asociación de vivienda Las flores de San Agustín, Distrito Nuevo Imperial, Provincia Cañete, Región Lima”.

10.4.1

CONSIDERACIONES GENERALES

DEFINICIÓN DE LOS SISTEMAS.

El Sistema de Alcantarillado convencional del sector Las flores de San Agustín, está

proyectada por los siguientes componentes:

Red de colectores.- Conformada por buzones y buzonetas de inspección

interconectadas con tuberías de PVC-UF ISO 4435, S-25. SD-2, SDR-51 DN 200mm

como mínimo. Encargadas a recolectar las aguas servidas del sector confluyendo dichas

aguas hacia el empalme de la red del emisor Nuevo Imperial, ubicado en la Av. Augusto B.

Leguía con la Tercera entrada al Conde en el AA.HH Carrizales.

CAUDAL DE DEMANDA

Para el cálculo del caudal de demanda del sector de Las Flores de San Agustín se ha

tomado en consideración la información de los Estudios Básicos y los aspectos

sociológicos de la zona.

Para el cálculo se ha desarrollado un acápite por cada ítem que se ha creído necesario y que

se detalla a continuación.

PERÍODO DE DISEÑO.

El periodo de diseño está condicionado a las diferentes variaciones de los factores

económicos, crecimiento de población, calidad de material a utilizar y la tecnología que se

usa.

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Para proyectos de poblaciones o ciudades, así como para proyectos de mejoramiento y/o

ampliación de servicios en asentamientos existentes, el período de diseño será fijado por

los siguientes métodos de tal manera que garantice los períodos óptimos para el sistema de

alcantarillado.

a) Crecimiento lineal de la demanda sin déficit inicial

En este caso, se supone que el componente entra a cubrir la demanda en el momento

exacto en que se requiere la ampliación.

Por lo que se tiene:

Donde:

t, es el período óptimo de diseño en años;

b, es el factor de economía de escala asociado al componente;

r, es la tasa social de descuento (11%)

to, es el período de retraso en años.

b) Crecimiento lineal de la demanda con déficit inicial

En este caso, el modelo de costos mínimos incorpora un período de retraso en la

construcción de la primera etapa, es decir, un período durante el cual la demanda ha

permanecido parcialmente insatisfecha.

El cálculo del período óptimo (ti) en esta situación es:

Donde:

Ti, es el período óptimo de diseño en años con déficit inicial;

t, es el período óptimo sin déficit inicial en años;

b, es el factor de economía de escala;

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r, es la tasa social de descuento;

to, es el período de retraso en años.

Por lo tanto en el proyecto se va considerar el periodo de diseño sin déficit inicial, teniendo

como resultado t=16.60 años; redondeando se tiene un periodo de diseño de 17 años.

El RNE (Reglamento Nacional de Edificaciones) indica que para redes de alcantarillado se

debe diseñar para un tiempo futuro de 20 años, para el cual se elaborará los cálculos de

diseño.

POBLACION Y DENSIDAD POBLACIONAL

Para la selección de la población de diseño (Población Futura, año 2,035 = 2003

habitantes), se ha utilizado el método geométrico y una tasa de crecimiento de 2.68%,

tomando en cuenta para esto datos del censo 2007 según el INEI.

DOTACION DE AGUA POTABLE

La Dotación representa la cantidad de agua que se necesita para desarrollar las actividades

domésticas, industriales y comerciales. Se expresa en litros/habitante/día. Teniendo en

cuenta el Clima, la dotación de agua varía de acuerdo a la temperatura de la zona a

abastecer, así en temperaturas extremas el consumo es mayor que en un clima frío, a las

costumbres y hábitos de la población de la localidad y de acuerdo a las Normas.

Para determinar la dotación en litros/hab./día, en la Localidad no se cuenta con registros de

datos de consumo de agua por lo que se utiliza una dotación de 150 lt/hab./día para

consumo doméstico de acuerdo a datos básicos del Centro Panamericano de ingeniería

sanitaria CEPIS/OPS/04.107, con proyección de servicios de alcantarillado y considerando

el clima cálido - templado de la zona.

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COEFICIENTE DE VARIACIÓN DEL CONSUMO DE ALCANTARILLADO

Consumo promedio diario anual (Qm).- Es el promedio de los gastos diarios durante un

año de registros expresados en litros por segundo. Se expresa por la siguiente relación:

Dotación = 180 lit/hab.día

Qm=3.48 l/s

Dentro de un Sistema de Agua Potable el consumo de agua varía con las estaciones, los

días de la semana y las horas del día. Estas variaciones son debidas a las actividades

básicas de los pobladores, la magnitud de la población, el equipamiento urbano y las

condiciones climáticas del área.

Como se sabe un sistema de alcantarillado se diseña con la finalidad de evacuar las aguas

servidas en forma continua, a una adecuada pendiente y asegurando el arrastre hidráulico

de los sólidos. Para cumplir con su objetivo es necesario que cada uno de los componentes

del sistema sea diseñado satisfactoriamente, para ello es necesario conocer el

funcionamiento cabal del sistema de acuerdo a las variaciones en los consumos de agua.

Para el dimensionamiento de sistemas de alcantarillado se utilizan parámetros de variación

diaria y horaria.

Variaciones diarias ( )

Representa la desviación máxima del consumo promedio respecto al consumo máximo

diario, ó sea Corresponde al consumo en el día de mayor incidencia, este coeficiente se

denomina Consumo Máximo Diario (K1). Se obtiene de acuerdo a la siguiente expresión:

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Para el Distrito Nuevo Imperial, Provincia de Cañete se considerará el valor que fluctúa

entre 1.2 a 1.5, de acuerdo al Reglamento Nacional de Edificaciones, se recomienda:

Coeficiente de Consumo Máximo Diario : 1.30

Variaciones horarias ( )

Representa la desviación máxima que resulta del consumo promedio o demanda máxima

en una hora que se presenta en un día durante un año y el gasto o caudal medio. Se le

denomina Coeficiente de Variación de Consumo Máximo Horario y su valor puede

fluctuar entre 1.8 y 2.5 de la demanda promedio anual.

Se obtiene de acuerdo a la siguiente expresión:

Para el Distrito Nuevo Imperial se considerará el siguiente valor, teniendo en cuenta el

Reglamento Nacional de Edificaciones para poblaciones de 2000 a 10000 habitantes:

Coeficiente de Consumo Máximo Horario ( ): 2.00

Consumo máximo diario (Qmd).- Se adopta un valor igual a 1,3 veces el consumo

promedio diario anual. Entonces, para el año de óptimo consumo el consumo máximo

diario es de 4.52 l/s. Ver cuadro Nº 3.4

Consumo máximo horario (Qmh).- Se adopta como 2.0 veces el consumo promedio

diario anual. Entonces, para el año de óptimo consumo el consumo máximo horario es de

6.96 l/s. Ver cuadro Nº3.4

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CUADRO Nº 3.4

3.1.7 CONTRIBUCION AL DESAGUE

Para calcular la contribución del agua residual al sistema de alcantarillado se

determinó teniendo en cuenta las horas punta del consumo de agua y de acuerdo al

RNE que considera que el 80% del caudal de agua potable consumida ingresa al

sistema de alcantarillado.

Por lo tanto la contribución total de aguas residuales:

Qcd= 5.57 l/s

Para el cálculo de colectores se ha tomado el aporte del primer año, considerado

como caudal mínimo.

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Ver cuadro Nº 3.4

3.1.8 CRITERIOS DE UBICACIÓN PARA EL DISEÑO DE REDES DE

ALCANTARILLADO

Redes de colectores

a. Tuberías

Ubicación

Para efectuar el diseño del trazo definitivo de las tuberías, previamente se fijarán las

secciones transversales de todas las calles del proyecto, con la ubicación acotada y a escala

de todos los servicios públicos de electricidad, agua, etc., existentes.

- En la mayoría de las calles tenemos 20 m de ancho proyectándose una línea de

alcantarillado en el mismo eje.

- La distancia mínima entre ejes de la tubería de agua y la tubería de desagüe será de 2,0

m.

Profundidad mínima

Los colectores se proyectarán a una profundidad tal, que asegure satisfacer las condiciones

más desfavorables siguientes:

- La profundidad requerida para prever el drenaje de todas las áreas vecinas: Hmin =

1.20m.

- La profundidad necesaria para no interferir con otros servicios públicos existentes y/o

proyectados, ubicados principalmente en las calles transversales a la línea del colector

- Un recubrimiento mínimo de 1.0m. sobre la clave del colector en relación con el nivel

de la calzada; salvo vías peatonales en que el recubrimiento podrá ser menor.

Profundidad máxima

La profundidad máxima será aquella que no ofrezca dificultades constructivas, de acuerdo

al tipo de suelo y que no obligue al tendido de alcantarillas auxiliares.

La profundidad máxima admisible recomendada, será de 8.00m.

b. Cámaras de Inspección

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Las cámaras de inspección serán ubicadas en la línea de alcantarillado para facilitar la

limpieza y mantenimiento de las redes, de esta forma evitar que se obstruyan debido a

acumulación excesiva de sedimentos, se tomarán en cuenta las dimensiones de acuerdo al

Reglamento Nacional de Edificaciones tal como se indica en el Cuadro Nº 4.6 Geometría

de Buzones y Buzonetas:

Cuadro Nº 3.5 Geometría de Buzones y Buzonetas

DESCRIPCIÓN PROFUNDIDAD MÍNIMA (m)

PROFUNDIDAD MÁXIMA (m)

DIÁMETRO (m)

ESPESOR DE FUSTE (m)

TIPO DE CONCRETO

BUZONETAS 0.6 1.19 0.6 0.15 SIMPLE

BUZONES1.2 3 1.2 0.2 SIMPLE

3 8 1.5 0.2 ARMADO

Fuente: RNE

Ubicación

Se han proyectado las cámaras de inspección en los siguientes casos:

- En el inicio de tramos de arranque.

- En todos los empalmes de los colectores.

- En los cambios de dirección.

- En los cambios de pendiente

- En los puntos donde se diseñan caídas en los colectores.

- En todo lugar que sea necesario por razones de inspección y limpieza.

- En cada cámara de inspección se admitirá solamente una salida del colector.

Separación máxima

La separación máxima entre las cámaras de inspección será de 80 m por:

- Empleo de tuberías colectoras de Ø200 mm.

- Limpieza a máquina para tuberías de Ø200 mm, ya que dichos colectores no permiten

una limpieza directa por un operador.

El Reglamento Nacional de edificaciones lo recomienda de acuerdo al siguiente cuadro Nº

3.6

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Cuadro Nº3.6. Diámetro Nominal de la Tubería

DIÁMETRO NOMINAL DE LA TUBERÍA (mm)

DISTANCIA MÁXIMA (m)

100 60

150 60

200 80

250 a 300 100

Diámetros mayores 150Fuente: RNE – Norma OS.070

3.1.9 DISEÑO HIDRÁULICO

3.1.9.1 Fórmula de Roberth Manning

La fórmula de Manning es una evolución de la fórmula de Chézy para el cálculo de la

velocidad del agua en canales abiertos y tuberías, propuesta por el ingeniero irlandés

Robert Manning, en 1889:

Fórmula para diseño

La fórmula empírica de Manning es la más práctica para el diseño de canales abiertos,

actualmente se utiliza para conductos cerrados y tiene la siguiente expresión

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Flujo en Tuberías con Sección Llena

En el diseño de conductos circulares, se utilizan tablas, nomogramas o programas de

computadora, los mismos están basados en la fórmula de Manning y relacionan la

pendiente, diámetro, caudal (capacidad hidráulica) y velocidad, para condiciones de flujo a

sección llena.

Flujo en Tuberías con Sección Parcialmente Llena

El flujo a sección llena se presenta en condiciones especiales. Se debe destacar que la

condición normal de flujo en conductos circulares de alcantarillado, es a sección

parcialmente llena, con una superficie de agua libre y en contacto con el aire.

Durante el diseño, es necesario determinar el caudal, velocidad, tirante y radio hidráulico,

cuando el conducto fluye a sección parcialmente llena (condiciones reales). Para el cálculo

es necesario utilizar las propiedades hidráulicas de la sección circular que relacionan las

características de flujo a sección llena y parcialmente llena.

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Criterios de Diseño

Durante el funcionamiento del sistema de alcantarillado, se debe cumplir la condición de

autolimpieza para limitar la sedimentación de arena y otras sustancias sedimentables

(heces y otros productos de desecho) en los colectores. La eliminación continua de

sedimentos es costosa y en caso de falta de mantenimiento se pueden generar problemas de

obstrucción y taponamiento.

En el caso de flujo en canales abiertos la condición de autolimpieza está determinada por la

pendiente del conducto. Para tuberías de alcantarillado, la pendiente mínima puede ser

calculada utilizando el criterio de velocidad mínima o el criterio de la tensión tractiva. A

continuación se realiza un análisis comparativo de ambos criterios.

Criterio de Velocidad Mínima

La práctica usual, es calcular la pendiente mínima, con el criterio de la velocidad mínima y

para condiciones de flujo a sección llena. Bajo este criterio las tuberías de alcantarillado se

proyectan con pendientes que aseguren una velocidad mínima de 0,6 m/s. De la fórmula de

Manning, la pendiente tiene la siguiente expresión:

Criterio de la Tensión Tractiva

La tensión tractiva o tensión de arrastre (t) es el esfuerzo tangencial unitario ejercido por el

líquido sobre el colector y en consecuencia sobre el material depositado. Tiene la siguiente

expresión:

t = r g R SDonde:

t = Tensión tractiva en pascal (Pa)

r = Densidad del agua (1000 kg/m3)

g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)

R = Radio Hidráulico (m)

S = Pendiente de la Tubería (m/m)

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La tensión tractiva mínima del flujo debe superar la resistencia del sedimento al

movimiento.

Para el caso de los sistemas de alcantarillado sanitario, según bibliografía consultada, el

resultado del análisis granulométrico del material de fondo de los colectores, realizado en

Middle (Inglaterra), la parte occidental de los Países Bajos y en Portachuelo (Bolivia -

1999) realizada por el autor, se ha determinado que el diámetro específico de arena

transportada es de 0,4 a 0,6 mm. Estos valores serían comunes en la mayoría de zonas del

mundo.

Al no contar con análisis granulométricos y adoptando un factor de seguridad, se

recomienda calcular la pendiente mínima de los colectores sanitarios con una tensión

tractiva mínima de 1,0 Pa.

En los tramos iniciales de los colectores (arranque), en los cuales se presentan bajos

caudales promedio tanto al inicio como al fin del periodo de diseño, se recomienda calcular

la pendiente con una tensión tractiva de 1 Pa, y posteriormente, su verificación con

caudales de aporte reales, no deberá ser menor a 0,6 Pa.

En el caso de colectores de alcantarillado pluvial, la arena que ingresa a los colectores es

de mayor diámetro efectivo, de igual forma en caso de no contar con resultados de análisis

granulométrico, se recomienda su diseño con una tensión tractiva de 1,5 Pa.

Para los diseños de las redes de alcantarillado del presente proyecto se ha empleado estas

fórmulas para la determinación de los pendientes y velocidades del flujo del desagüe.

Características de la Fórmula de R. Manning:

- Expresión para determinar las pérdidas de energía por fricción.

- Típicamente asociada con flujo en canales abiertos o alcantarillados.

- Ecuación empírica.

- Al igual que la ecuación de Hazen – Williams y por ser una ecuación empírica, sólo

es aplicable bajo condiciones muy especiales de flujo y del fluido.

- Las pérdidas están expresadas en función de las mismas variables, diámetro del

tubo, longitud, caudal y un coeficiente que involucra la rugosidad interna de cada tubería,

además de un factor de conversión de unidades, el cual también está presente en la

ecuación de Hazen – Williams.

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- Al igual que la ecuación de Hazen – Williams, esta ecuación es fácil de manejar

(depende de los mismos parámetros de que depende la ecuación de Hazen – Williams).

3.1.9.2 Pendiente de las redes de colectores del alcantarillado

Como:

Se tiene:

Despejando “S” se tiene:

Donde:

S = Pendiente para el tendido de la tubería en cada tramo (m/m)

Q = Caudal de aporte en cada tramo de la red de alcantarillado (l/s)

n = Coeficiente de rugosidad de la tubería.

D = Diámetro de la tubería (m)

θ = grado central

Cabe señalar que:

Según el RNE indica: Smin = 8.0‰ equivalente a 0.8%

Según SEDAPAL para Ø8” la Smin= 4‰ para una Vmin=0.60m/seg

3.1.9.3 Dimensionamiento de la sección del sistema de alcantarillado

La fórmula aplicada ha sido teniendo en cuenta que la sección de la tubería es

parcialmente llena, así como indica el siguiente gráfico Nº 3.7

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Fuente: Elaboración Propia

Gráfico Nº 4.5 Tubería Parcialmente Llena

Del gráfico se obtiene:

(Grado Sexagesimal)

Éste ángulo varía de acuerdo al caudal que va ser transportado por la tubería.

- Si el caudal a evacuar es mínimo “θ” tiende a cero.

- Si el caudal a evacuar es a tubo lleno “θ” tiende a 360º.

3.1.9.4 Detalle y disposición de los colectores

Determinación de las Cotas de Fondo de los Buzones y las Profundidades Respectivas

Una vez determinado las cotas de tapa de buzones mediante trabajos de campo con el nivel

topográfico y curvas de nivel se procede a determinar las profundidades de los buzones y

las pendientes para la instalación de tuberías de alcantarillado, detallándose en el gráfico

Nº 4.6 las características de un tramo.

Para las profundidades de los buzones de arranque se ha determinado de acuerdo a la

topografía del terreno entre la vía de la calle y la vereda de los lotes. Para lo cual varían las

profundidades de buzones considerándose una profundidad mínima de 1.20 m., y las zanjas

tendrán una profundidad mínima de 1 m. de recubrimiento sobre la clave del tubo.

Para determinar las cotas de llegada:

Cota de llegada = cota de salida – S x L / 1000

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Estas cotas determinadas se convierten como cotas de salida para los siguientes tramos.

Las profundidades de inicio y final de los buzones se determinan:

Profundidad del buzón de inicio = cota de inicio (tapa) – cota de inicio (salida)

Profundidad del buzón de llegada = cota final (tapa) – cota final (llegada)

Fuente: Elaboración Propia

Gráfico Nº3.8 Detalle y disposición de Colectores - Emisor

3.1.10 Cálculo de la red de alcantarillado

El número de lotes al año 2015 es 227 de acuerdo al Plano topográfico.

La densidad es de 5.20 hab. /viv.

Población actual (Pi): 1180 hab. Fuente propia.

Población de diseño (Pf): se determinó utilizando el método Geométrico y una tasa de

crecimiento de r = 2.68%.

Pf=2003 habitantes.

Descarga de aguas residuales

Contribución de descarga de desagüe (Qcd):

Qcd= 0.80 Qmh

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Qcd= 5.57 l/s Máximo proyectado

Agua de filtración

Es el aporte adicional basado en la permeabilidad del suelo donde se construye el

alcantarillado sanitario, este aporte puede expresarse por metro lineal de tubería. Debido a

que en esta zona el nivel freático es bajo y precipitación pluvial casi nula, típico de la costa

limeña podemos considerar la información proporcionada en: Diseño de acueductos y

Alcantarillados de Ricardo López Cualla quién indica que para tuberías nuevas con unión

de Caucho considerando una Infiltración BAJA, la Tasa de Infiltración es de 0.0005

lit/seg/ml

También para la Tasa de Infiltración el RNE indica que varía entre 0.0002 lps/ml y 0.0008

lps/ml, tomando para este proyecto el promedio:

Tasa de Infiltración=0.0005 lps/ml

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10.4.2

CALCULO HIDRAULICO DE COLECTORES

SISTEMA DE ALCANTARILLADO CONVENCIONAL

HOJA DE CÁLCULO

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10.4.3

CALCULO HIDRAULICO DE AGUA POTABLE1.- METODO DE DENSIDAD POBLACIONAL EMPLEANDO EL METODO DE HARDY CROSS PARA REDES CERRADASEste método considera la población por área de influencia de cada nudo. Para la aplicación de este método se deberá definir la población en cada sector del área del proyecto.

El caudal por nudo será

Qi= Qp * Pidonde el caudal unitario poblacional se calcula por:

Qp= Qt / Pt = 0.00347 l/s/habdonde:Qp Caudal unitario poblacional l/s/habQt Caudal total o caudal máximo horario para la totalidad de la población l/sQi Caudal en el nudo "i" l/sPt Población total del proyecto hab.Pi Población del ár de influencia del nudo "i" hab.

nudo ManzanaNº

viviendas Dens.(hab/viv.) Pi Qi

1

C 17 5.2 150 0.521C' 0 5.2 0 0B 17 5.2 150 0.521D 0 5.2 0 0

34 ∑ 300 1.042

nudo ManzanaNº

viviendas Dens.(hab/viv.) Pi Qi

2

B 16 5.2 141 0.49D 0 5.2 0 0G 8 5.2 71 0.247A 16 5.2 141 0.49E 0 5.2 0 0

40 ∑ 353 1.227

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nudo ManzanaNº

viviendas Dens.(hab/viv.) Pi Qi

3

A 15 5.2 132 0.459E 0 5.2 0 0A' 0 5.2 0 0B' 22 5.2 194 0.674G 8 5.2 71 0.247

45 ∑ 397 1.38

nudo ManzanaNº

viviendas Dens.(hab/viv.) Pi Qi

4 A' 25 5.2 221 0.768E 18 5.2 159 0.552

43 ∑ 380 1.32

nudo ManzanaNº

viviendas Dens.(hab/viv.) Pi Qi

5 E 17 5.2 150 0.521D 16 5.2 141 0.49

33 ∑ 291 1.011

nudo ManzanaNº

viviendas Dens.(hab/viv.) Pi Qi

6 D 16 5.2 141 0.49C' 16 5.2 141 0.49

32 ∑ 282 0.98

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RESULTADO FINAL

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