La magia de las tensiones efectivas en geotecnia

Karl von Terzaghi (1883 – 1963) ://es.wikipedia.org/wiki/Karl_von_Terzaghi

Os presento uno de los conceptos básicos utilizados en geotecnia que, en ocasiones, complica a muchos de mis estudiantes cuando en la asignatura Procedimientos de Construcción explicamos algunos aspectos de la mejora de terrenos (columna de grava, precarga, drenes verticales, etc.). Se trata del concepto de “tensiones efectivas”, que hoy es sencillo, pero que confundió a numerosos ingenieros durante mucho tiempo.

La ley de elasticidad Hooke, donde la aplicación de una fuerza supone una deformación proporcional a la misma, desde luego no era aplicable directamente a muchos problemas que los ingenieros tenían con el terreno. Desde siempre se conoce que el comportamiento mecánico del suelo es algo complejo, pero era sorprendente, por ejemplo, que una carga aplicada sobre un terreno con nivel freático elevado, no se deformase. Y lo más sorprendente, es que, al cabo de cierto tiempo, sin modificar el estado de cargas, el terreno se deformara “por arte de magia”.

Este problema ingenieril traía de cabeza a muchos ingenieros hasta los primeros años del siglo XX. Si se analiza un suelo desde el punto de vista “microscópico”, la transmisión de esfuerzos se realiza mediante cadenas de partículas, unas apoyadas con otras. Lo que es peor, si este suelo es de partículas tan finas como son las arcillas, la fuerza de gravedad pierde importancia frente a las fuerzas fisico-químicas. La solución es entender la mecánica del suelo como si fuera un medio continuo, es decir, desde el punto de vista “macroscópico”. Tal simplificación necesita un marco teórico de partida que fue postulado por uno de los grandes genios y padre de la mecánica de suelos: Karl von Terzaghi (Praga, 2 de octubre de 1883 – Winchester, Massachusetts, 25 de octubre de 1963).

Su aportación genial fue formular un postulado acerca de lo que denominó como “tensiones efectivas“. Como todo postulado que se precie, se trata de una proposición no evidente por sí misma, ni demostrada, pero que se acepta, ya que no existe otro principio al que pueda ser referida. De todos modos, las evidencias empíricas del correcto funcionamiento de este postulado hace que hoy día se admita en el campo de la mecánica de suelos porque permite explicar multitud de problemas geotécnicos. Terzaghi definió el concepto de tensiones efectivas, en 1923, partiendo de resultados experimentales. De forma muy simple, diremos que las tensiones efectivas que actúan en el terreno son el exceso de tensión sobre la presión intersticial del agua presente en él. Y lo más importante de todo ello es que son las tensiones efectivas las que pueden provocar cambios en la deformación del terreno. Pero vamos a reproducir (González de Vallejo et al., 2004) las dos partes fundamentales del enunciado de su postulado, según las propias palabras de Terzaghi:

“Las tensiones en cualquier punto de un plano que atraviesa una masa de suelo pueden ser calculadas a partir de las tensiones principales totales σ1, σ2 y σ3 , que actúan en ese punto. Si los poros del suelo se encuentran rellenos de agua bajo una presión u, las tensiones principales totales se componen de dos partes. Una parte, u, llamada presión neutra o presión intersticial, actúa sobre el agua y sobre las partículas sólidas en todas direcciones y con igual intensidad. Las diferencias σ’1 = σ1 – u, σ’2 = σ2 – u, σ’3 = σ3 – u  representan un exceso de presión sobre la presión neutra u, y actúan exclusivamente en la fase sólida del suelo. Estas fracciones de las tensiones principales totales se denominan tensiones efectivas.

Cualquier efecto medible debido a un cambio de tensiones, tal como la compresión, la distorsión o la modificación de la resistencia al corte de un suelo, es debido exclusivamente a cambios en las tensiones efectivas”.

Podemos sacar varias conclusiones directamente de este postulado:

  1. Si en un suelo saturado no hay cambios de volumen ni de distorsión, eso significa que las tensiones efectivas no han cambiado.
  2. Como el agua no es capaz de soportar tensiones tangenciales, las que existan en un suelo saturado la debe absorber el esqueleto sólido del suelo.
  3. Si a un suelo saturado se le permite el drenaje (disipación de la tensión intersticial), entonces este suelo se deforma y se modifica su resistencia a corte. Al fenómeno se denomina consolidación.

Como entretenimiento práctico podéis deducir cómo la tensión efectiva en un punto de un estrato situado bajo nivel freático es igual al producto de la profundidad del punto en el estrato multiplicado por el peso específico sumergido del material de dicho estrato. Asimismo, si existen distintos estratos, es la suma de las alturas de los posibles estratos por sus correspondientes pesos específicos sumergidos.

Referencias:

  • DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering – 2nd ed, Technomic Publishing Co.
  • GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, Madrid.

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Proceso constructivo de un aparcamiento subterráneo

Construcción del aparcamiento subterráneo bajo la Plaza Mayor, en 1968. http://bosquesurbanospanama.wordpress.com/

Hay varias formas de construir un aparcamiento subterráneo. A continuación os paso un vídeo de la empresa Pantallax Cimentaciones Especiales, que ilustra el procedimiento constructivo de un aparcamiento subterráneo. El vídeo describe pormenorizadamente el proceso constructivo de un aparcamiento subterraneo, realizado mediante cimentaciones especiales tales como muros pantalla, pilotes, anclajes, etc. Espero que os guste.

https://www.youtube.com/watch?v=B_qU8WqaaQA

 

Normativa peruana sobre suelos y cimentaciones

¿Es bueno aplicar una norma que se utiliza en un país distinto al nuestro? Esta pregunta se repite muchas veces cuando se abren debates, sobre todo en España sobre el uso de los Eurocódigos (véase el caso de la Instrucción de Hormigón Estructural). Es evidente que en cada país se utiliza un tipo de norma que, si bien tiende a unificar aquellas partes comunes asentadas en el ámbito técnico y científico, en numerosas ocasiones se adapta a la idiosincrasia del país y sus circunstancias. Aspectos como el riesgo sísmico o geológico, materiales y procedimientos constructivos más empleados, sistemas de control de calidad en el sector, etc., hacen que se particularicen o resalten determinados aspectos de cada norma. No obstante todo lo anterior, sería un gran avance unificar normas y criterios, aunque en cada país se adoptaran coeficientes de seguridad o parámetros de diseño particulares.

En este caso os presento la Resolución Ministerial nº 406-2018-vivienda por la que se publica la Norma Técnica E.050 sobre “Suelos y Cimentaciones” del Perú. Agradezco el documento a Christian Martín Torres Delgado. Es una de las ventajas de estar conectado a las redes sociales, en este caso LinkedIn, que permiten compartir conocimiento técnico de forma ágil. Espero que el documento os sea de interés.

Descargar (PDF, 2.72MB)

Medición del grado de fracturación de un macizo rocoso: el índice RQD

La fracturación de un macizo rocoso se define por el número, espaciado y condiciones de las discontinuidades que presenta, cualquiera que sea su origen y clase. El grado de fracturación se suele expresar mediante el índice RQD (Rock Quality Designation), que representa la relación entre la suma de las longitudes de los framentos de testigo mayores de 10 cm y la longitud total del tramo considerado. Éste índice fue desarrollado por Don U. Deere entre 1963 y 1967, en principio, para rocas ígneas.

 Para estimar el RQD sólo se consideran los fragmentos o trozos de testigo de material fresco, excluyéndose los que presentan un grado de alteración importante. La medida de este índice se realiza en cada maniobra de sondeo o en cada cambio litológico, siendo recomendable que la longitud de maniobra no exceda de 1,5 m. Además, el diámetro mínimo de los testigos debe ser de 48 mm.

Se puede decir que un RQD inferior a 25 indica un macizo rocoso de muy mala calidad, mientras que de 90 a 100, indica una calidad muy buena. Una calidad media en relación a la fracturación podría situarse entre 50 y 75.

Aunque este índice es muy utilizado, hay que tener en cuenta que no tiene en cuenta aspectos tan importantes como la orientación del sondeo, separación, rellenos y demás condiciones de las discontinuidades, por lo que no es suficiente para describir completamente las características de la fracturación de un macizo rocoso.

Si no se dispone de datos de sondeos, el RQD aproximado puede estimarse por medio de la siguiente fórmula:

RQD ≈ 115 – 3,3 Jv

donde Jv es el número de fracturas observado por metro cúbico de roca.

Os recomiendo el artículo de Enrique Montalar acerca de éste índice. Recojo las referencias de dicho artículo.

Referencias:

 

Curso en línea de “Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación”

La Universitat Politècnica de València, en colaboración con la empresa Ingeoexpert, ha elaborado un Curso online sobre “Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación”. El curso, totalmente en línea, se desarrollará en 6 semanas, con un contenido de 50 horas de dedicación del estudiante. Empieza el 9 de septiembre de 2019 y termina el 21 de octubre de 2019. Hay plazas limitadas.

Toda la información la puedes encontrar en esta página: https://ingeoexpert.com/cursos/curso-de-procedimientos-de-construccion-de-cimentaciones-y-estructuras-de-contencion-en-obra-civil-y-edificacion/?v=04c19fa1e772

Os paso un vídeo explicativo y os doy algo de información tras el vídeo.

Este es un curso básico de construcción, cimentaciones y estructuras de contención en obras civiles y de edificación. Se trata de un curso que no requiere conocimientos previos especiales y está diseñado para que sea útil a un amplio abanico de profesionales con o sin experiencia, estudiantes de cualquier rama de la construcción, ya sea universitaria o de formación profesional. Además, el aprendizaje se ha escalonado de modo que el estudiante puede profundizar en aquellos aspectos que más les sea de interés mediante documentación complementaria y enlaces de internet a vídeos, catálogos, etc.

En este curso aprenderás las distintas tipologías y aplicabilidad de los cimientos y las estructuras de contención utilizados en obras de ingeniería civil y de edificación. El curso índice especialmente en la comprensión de los procedimientos constructivos y la maquinaria específica necesaria para la ejecución de los distintos tipos de cimentación (zapatas, losas de cimentación, pilotes, micropilotes, cajones, etc.) así como los distintos tipos de estructuras de contención (muros pantalla, pantallas de pilotes y micropilotes, tablestacas, entibaciones, muros, etc.). Es un curso de espectro amplio que incide especialmente en el conocimiento de la maquinaria y procesos constructivos, y por tanto, resulta de especial interés desarrollar el pensamiento crítico del estudiante en relación con la selección de las mejores soluciones constructivas para un problema determinado. El curso trata llenar el hueco que deja la bibliografía habitual donde los aspectos de proyecto, geotecnia, estructuras de hormigón, etc., oscurecen los aspectos puramente constructivos. Además, está diseñado para que el estudiante pueda ampliar por sí mismo la profundidad de los conocimientos adquiridos en función de su experiencia previa o sus objetivos personales o de empresa.

El contenido del curso está organizado en 20 unidades didácticas, que constituyen cada una de ellas una secuencia de aprendizaje completa. La dedicación aproximada para cada unidad se estima en 2-3 horas, en función del interés del estudiante para ampliar los temas con el material adicional. Además, al finalizar cada unidad didáctica, el estudiante afronta una batería de preguntas cuyo objetivo fundamental es afianzar los conceptos básicos y provocar la duda o el interés por aspectos determinados del tema abordado. Al final se han diseñado cuatro unidades didácticas adicionales cuyo objetivo fundamental consiste en afianzar los conocimientos adquiridos a través del desarrollo de casos prácticos, donde lo importante es desarrollar el espíritu crítico y la argumentación a la hora de decidir la conveniencia de un procedimiento constructivo. Por último, al finalizar el curso se realiza una batería de preguntas tipo test cuyo objetivo es conocer el aprovechamiento del curso, además de servir como herramienta de aprendizaje.

El curso está programado para una dedicación de 50 horas de dedicación por parte del estudiante. Se pretende un ritmo moderado, con una dedicación semanal de 6 a 10 horas, dependiendo de la profundidad de aprendizaje requerida por el estudiante, con una duración total de 6 semanas de aprendizaje.

Objetivos

Al finalizar el curso, los objetivos de aprendizaje básicos son los siguientes:

  1. Comprender la utilidad y las limitaciones de las cimentaciones y estructuras de contenciónempleadas en la construcción de obras civiles y de edificación
  2. Evaluar y seleccionar el mejor tipo de cimentación y estructura de contención necesario para una construcción en unas condiciones determinadas, considerando la economía, la seguridad y los aspectos medioambientales

Programa

  • – Unidad 1. Concepto y clasificación de cimentaciones
  • – Unidad 2. Cimentaciones superficiales. Parte 1
  • – Unidad 3. Cimentaciones superficiales. Parte 2
  • – Unidad 4. Cimentaciones por pozos y cajones
  • – Unidad 5. Conceptos fundamentales y clasificación de pilotes
  • – Unidad 6. Pilotes de desplazamiento prefabricados
  • – Unidad 7. Pilotes de desplazamiento hormigonados “in situ”
  • – Unidad 8. Pilotes perforados hormigonados “in situ”. Parte 1
  • – Unidad 9. Pilotes perforados hormigonados “in situ”. Parte 2
  • – Unidad 10. Equipos para la perforación de pilotes
  • – Unidad 11. Estructuras de contención de tierras. Muros
  • – Unidad 12. Pantallas de hormigón
  • – Unidad 13. Estabilidad de las excavaciones. Entibaciones.
  • – Unidad 14. Tablestacas y anclajes
  • – Unidad 15. Hinca de pilotes y tablestacas
  • – Unidad 16. Descabezado de pilotes y muros pantalla
  • – Unidad 17. Caso práctico 1
  • – Unidad 18. Caso práctico 2
  • – Unidad 19. Caso práctico 3 d
  • – Unidad 20. Cuestionario final del curso

Profesorado

Víctor Yepes Piqueras

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (1982-1988). Número 1 de promoción (Sobresaliente Matrícula de Honor). Especialista Universitario en Gestión y Control de la Calidad (2000). Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Sobresaliente “cum laude”. Catedrático de Universidad en el área de ingeniería de la construcción en la Universitat Politècnica de València y profesor, entre otras, de las asignaturas de Procedimientos de Construcción en los grados de ingeniería civil y de obras públicas. Su experiencia profesional se ha desarrollado fundamentalmente en Dragados y Construcciones S.A. (1989-1992) como jefe de obra y en la Generalitat Valenciana como Director de Área de Infraestructuras e I+D+i (1992-2008). Ha sido Director Académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (2008-2017), obteniendo durante su dirección la acreditación EUR-ACE para el título. Profesor Visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Investigador Principal en 5 proyectos de investigación competitivos. Ha publicado más de 84 artículos en revistas indexadas en el JCR. Autor de 8 libros, 22 apuntes docentes y más de 250 comunicaciones a congresos. Ha dirigido 12 tesis doctorales, con 4 más en marcha. Sus líneas de investigación actuales son las siguientes: (1) optimización sostenible multiobjetivo y análisis del ciclo de vida de estructuras de hormigón, (2) toma de decisiones y evaluación multicriterio de la sostenibilidad social de las infraestructuras y (3) innovación y competitividad de empresas constructoras en sus procesos. Tiene experiencia contrastada en cursos a distancia, destacando el curso MOOC denominado “Introducción a los encofrados y las cimbras en obra civil y edificación”, curso que ya ha tenido tres ediciones con más de 4000 estudiantes inscritos.

 

 

 

Perforación con hélice corta

Hélice cortaCuando se trata de perforaciones de diámetros elevados y la extracción del material se realiza de forma discontinua, se utiliza la perforación con hélice corta (intermittent augering).

Con este procedimiento se pueden abrir perforaciones de hasta unos 2,5 m de diámetro y profundidades de hasta unos 50 m. El terreno debe ser lo suficientemente seco y cohesivo para evitar derrumbes en las paredes. En caso contrario, se debería recurrir a la perforación con lodos y extracción con cazo.

 

 

 

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Soil nailing o suelo claveteado

Soil nailing
Figura 1. Gunitado sobre ladera claveteada

La técnica del soil nailing, o claveteado de suelos,  consiste en reforzar un talud, a medida que desciende la excavación, mediante la introducción de anclajes de refuerzo pasivos o activos, generalmente subhorizontales, que trabajan principalmente a tracción, pero también pueden tomar cargas de flexión y corte. Estos refuerzos se complementan a medida que baja la excavación con un paramento superficial que puede ser rígido o flexible que impide el deslizamiento del suelo entre los puntos que se encuentran las barras instaladas. Este refuerzo del terreno permite mejorar su resistencia al corte a lo largo de superficies potenciales de falla.

Las barras se colocan en unos sondeos perforados previamente y que luego se rellenan con una lechada o mortero de inyección. Posteriormente se ejecuta un paramento vertical que impida la caída de tierra entre los puntos donde se sitúan las inclusiones. Esto suele realizarse mediante hormigón proyectado (gunita), que suele reforzarse mediante una malla de acero.

Este procedimiento no se puede aplicar bajo nivel freático, ni tampoco cuando el suelo es blando o muy blando, pues entonces no es rentable su uso.

Figura 2. Procedimiento constructivo del suelo claveteado. https://civilengineeringbible.com/article.php?i=107

Os paso unos cuantos vídeos informativos al respecto. Espero que os sean de utilidad.

 

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844. Valencia.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Inyecciones de fracturación

Figura 1. Inyección de fracturación para mejorar terreno bajo cimentación de aerogenerador

Las inyecciones de fracturación (también llamadas hidrofisuración, hidro-fracturación, hidrojacking o claquage), son inyecciones de lechada de cemento a media/alta presión que rompen el terreno, produciendo su densificación y rigidización, creando una red estructuradora.  Se introduce un material de baja viscosidad que busca la rotura del terreno para la posterior introducción de la lechada de pronto fraguado para reestructurarle. El tipo de lechada o mortero a emplear, así como los aditivos y dosificaciones dependerán tanto del tipo de inyección que vayamos a realizar como del resultado que estemos buscando con la intervención.

La técnica se realiza mediante la inyección con un tubo-manguito, inyectándose pequeños volúmenes en cada fase. El producto de inyección no es capaz de penetrar en los poros del terreno, sino que se introduce por las fisuras que se van creando por efecto de la presión. Se crean lentejones del material inyectado, que recomprimen transversalmente el terreno. Al crear una nueva estructura de terreno reforzado se consigue un doble efecto de densificación y rigidización. Esto se debe a que el suelo queda cosido por la red de fracturas cementadas inducidas en el mismo.

Esta técnica suele utilizase en las inyecciones de compensación, utilizadas éstas para controlar los movimientos que puedan generar las obras subterráneas sobre edificios en superficie. Asimismo, se suele utilizar para conseguir  una mejora de las características resistentes del terreno ya que se densifica éste y se generan unas ramificaciones de material resistente a modo de “armado” del terreno.

 

Las fases características de este tipo de inyección son las siguientes:

  1. Instalación del tubo manguito e inyección de la vaina: El tubo manguito se coloca en la perforación efectuada, rellenando con una mezcla de bentonita-cemento, el espacio anular entre la pared del sondeo y el tubo manguito.
  2. Fracturación del suelo: Para permitir la inyección de la suspensión se inserta en un obturador doble, que independiza cada uno de los manguitos durante su inyección.
  3. Inyección múltiple: Los manguitos pueden inyectarse una o varias veces, de acuerdo con los requisitos técnicos. El volumen de lechada, la presión máxima de inyección y, en el caso de una inyección repetitiva, la velocidad de inyección, se mantiene de acuerdo con las instrucciones. Los tubos manguitos pueden reutilizarse.

 

Figura 2. Esquema de inyección por fracturación
Figura 3. Fases de la inyección por fracturación
Os paso una animación de la empresa HAYWARD BAKER que espero os guste.

Referencias:

AENOR (2001). UNE-EN 12715. Ejecución de trabajos geotécnicos especiales. Inyecciones. Madrid.

Dirección General de Carreteras (2002). Guía de cimentaciones en obras de carretera.  Ministerio de Fomento, Madrid.

Puertos del Estado (2005). ROM 0.5-05. Recomendaciones geotécnicas para obras marítimas y portuarias.  Ministerio de Fomento, Madrid.

Muzas, F. (2003). Inyecciones de fracturación y compactación. Jornada sobre mejora del terreno de cimentación. Intevía. (link)

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Columna de grava mediante vibrosustitución

KellerTerra muestra en un vídeo de 5 minutos cómo se ejecuta una columna de grava (vibrosustitución) en la obra de la Central de Ciclo Combinado de la Bahía de Escombreras, Murcia. Después de visualizarlo, contesta a las siguientes preguntas:

  1. ¿Qué es una central de ciclo combinado?
  2. ¿Qué circunstancias del terreno hicieron recomendable la mejora del suelo mediante columnas de gravas?
  3. ¿Qué características se querían conseguir del terreno mejorado?
  4. ¿De qué partes consta un tubo vibrador?
  5. ¿Pará qué sirve el tamiz que se encuentra en la tolva donde la cargadora descarga grava?
  6. ¿Qué hace el aire comprimido en la cámara de descarga?
  7. ¿Qué diámetros de columna de grava se ejecutaron?

Otro vídeo de interés sobre la vibrosustitución es el siguiente:

Jet grouting

http://www.interempresas.net/Mineria/Articulos/146294-Diametro-columnas-jet-grouting-funcion-energias-especificas-perforacion-inyeccion.html

El Jet-Grouting es un proceso que consiste en la desagregación del suelo (o roca poco compacta), mezclándolo, y parcialmente sustituyéndolo, por un agente cementante (normalmente cemento). La desagregación se consigue mediante un fluido con alta energía, que puede incluir el propio agente cementante. Esta técnica de alta presión consigue desagregar el suelo o la roca poco compacta, mezclándolo y sustituyéndolo por cemento, así se van llenando huecos y discontinuidades. Básicamente se expulsan chorros de lechada de cemento (grout) a través de unas toberas a velocidades muy altas, logrando así la rotura del terreno y su íntima mezcla con el mismo. La técnica del Jet-Grouting tiene múltiples aplicaciones (mejora del terreno, impermeabilización, túneles, etc.), siendo el fluido de perforación también variable (cemento, bentonita, mezclas químicas, etc.)

Os paso varios vídeos al respecto, empezando por una animación sobre del Jet grouting de triple fluido:

Referencias:

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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