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23 DE JUNIO DEL 2014 [TRABAJO DE INVESTIGACION “PUENTES EN ARCO”] ING. MABEL ZAMBRANA SUB GRUPO:Nº4 2 “TALLER III ” CIV-400 TIPOS DE PUENTES EN ARCO "METODOS CONSTRUCTIVOS" 1. INTRODUCCION. En este trabajo se pretende estudiar los diferentes métodos de construcción de puentes arcos. En primer lugar llevamos a cabo la evolución histórica de los puentes arcos desde los primeros puentes de piedra hasta el siglo XXI. Después analizaremos los métodos de ejecución, sus ventajas e inconvenientes y varios ejemplos de los puentes recién construidos. El objetivo es determinar cuál tecnología sería más económica y eficaz para un puente arco de hormigón. En el estudio utilizaremos un programa de elementos finitos para obtener los valores de esfuerzos en cada etapa de montaje y les comparamos con los valores correspondientes del puente construido en servicio. 2. JUSTIFICACION. Se realizara la siguiente investigación para poder determinar y comparar cuál de los métodos constructivos es el más eficiente al momento de construir puentes en arco, ya sean los puentes en arco con tablero superior, tablero inferior o tablero intermedio, viendo de cada una las ventajas y desventajas que presentan al momento de realizar el diseño y la construcción de los mismos. 3. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA. En Ingeniería civil encontramos muchas dificultades en la vida profesional donde analizamos como resolver o plantemos respuestas a distintas problemáticas, ya sean de tipo estructural o de diseño con diferentes grados de complejidad y análisis donde buscamos una solución viable al tipo de problemática presentada.

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TIPOS DE PUENTES EN ARCO "METODOS CONSTRUCTIVOS"

1. INTRODUCCION.

En este trabajo se pretende estudiar los diferentes métodos de construcción de puentes arcos.

En primer lugar llevamos a cabo la evolución histórica de los puentes arcos desde los

primeros puentes de piedra hasta el siglo XXI.

Después analizaremos los métodos de ejecución, sus ventajas e inconvenientes y varios

ejemplos de los puentes recién construidos.

El objetivo es determinar cuál tecnología sería más económica y eficaz para un puente

arco de hormigón. En el estudio utilizaremos un programa de elementos finitos para

obtener los valores de esfuerzos en cada etapa de montaje y les comparamos con los

valores correspondientes del puente construido en servicio.

2. JUSTIFICACION.

Se realizara la siguiente investigación para poder determinar y comparar cuál de los métodos

constructivos es el más eficiente al momento de construir puentes en arco, ya sean los puentes

en arco con tablero superior, tablero inferior o tablero intermedio, viendo de cada una las

ventajas y desventajas que presentan al momento de realizar el diseño y la construcción de los

mismos.

3. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA.

En Ingeniería civil encontramos muchas dificultades en la vida profesional donde analizamos

como resolver o plantemos respuestas a distintas problemáticas, ya sean de tipo estructural o

de diseño con diferentes grados de complejidad y análisis donde buscamos una solución

viable al tipo de problemática presentada.

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El tema a exponer busca ampliar el conocimiento en la ingeniería abocada a las estructuras y

súper estructura de puentes en arco, las funcionalidades de cada una según el tipo de puente o

el diseño estético de cada uno, las metodologías de cálculo y diseño estructural según el tipo y

modelo de la estructura, estos conocimientos son necesarios en nuestra vida diaria ya sea en la

etapa de diseño o construcción.

Tipos de Puentes en Arco

¿Con la realización y comparación de los distintos puentes en arco, se lograra determinar cuál

de los puentes en arco es más eficiente al momento de construirlo?

4. OBJETIVOS.

4.1. OBJETIVO GENERAL

Analizar los tipos de puentes en arco, su método constructivo, utilizando bibliografía

actual basada en temas de Tesis, para lograr una mayor eficiencia en la etapa de diseño

y construcciones de puentes en arco.

4.2. OBJETIVO ESPECIFICO.

Comparar los métodos constructivos de diferentes puentes en arco.

Analizar ventajas y desventajas de los tipos de puentes en arco.

Determinar la mejor ubicación para cada tipo de puente al momento de construir.

5. CONTENIDO PRELIMINAR.

I. Evolución histórica

Puentes antiguos

Los puentes arco se conocen desde la más remota antigüedad y aparecen restos

arqueológicos de arcos de piedras desde de los Sumerios en Mesopotamia, 2.000 a.c.

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Puente Romano de Mérida Puente de Capella

El puente existente más viejo del arco es posiblemente Mycenaean Puente de Arkadiko

en Grecia a partir de cerca de 1300 a.c.

Parece haber un cierto consenso que fueron en Europa los Etruscos en Italia, quienes

usaron por primera vez el verdadero arco sobre el año 800 a.c. Aunque en verdad los

arcos eran conocidos ya por Etruscos y Griegos, los Romanos fueran - como con la

cámara acorazada y la bóveda - los primeros para realizar completamente el potencial

de los arcos para la construcción del puente.

Los puentes arcos de piedra pasan por diferentes etapas: Los puentes romanos (puente

Romano de Mérida), los puentes medievales (puente de Capella) y los puentes

modernos de los siglos XVI al XIX.

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Puentes metálicos.

Los primeros puentes metálicos datan de finales del siglo XVIII, principios del siglo

XIX. Se construyeron primero de fundición, después de hierro y finalmente de acero y

supusieron sobre todo un gran salto en las luces.

Puente de fundición.

El primer puente de hierro de la historia, se construyó en 1779 en la Garganta del

Severn para unir la ciudad de Broseley con el pequeño pueblo minero de Madeley.

La construcción del puente fue idea del arquitecto de Shrewsbury, Thomas Farnolls

Pritchard, las piezas se fabricaron en la fundición por Abraham Darby III y el montaje

del puente fue dirigido por John Wolkinson.

Se trata de un arco de medio punto de 30,5 m de luz, con tímpanos aligerados

con anillos circulares.

Puente de hierro.

El desarrollo de ferrocarril, asociado al propio desarrollo de la siderurgia, impulsó

al mismo tiempo el de los puentes metálicos que, en el siglo XIX, experimentaron

un enorme impulso y transformación para satisfacer, principalmente, la exigencias

de los muchos puentes y viaductos ferroviarios que resultaba necesario construir

Arcos de fundición en Central Park (Vaux & Wrey Mould, 1862 a 1864, detalle del Gothic)

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Desde inicios del siglo XIX empezaron utilizar el hierro forjado que

condicionaba a estas exigencias. Mediante un tratamiento - inicialmente a base de

golpeo o prensas hidráulicas y, posteriormente, mediante la laminación en caliente

de chapas y perfiles se obtenía un material dúctil, igualmente resistente a compresión

que a tracción y, por ende, apto para hacer frente adecuadamente a solicitaciones de

flexión.

El hierro era más caro que la fundición, al exigir más trabajo de elaboración, pero

poseía una resistencia a la tracción muy superior al de fundición. De este modo, los

constructores disponían por primera vez de un material que permitía realizar los

tres grandes tipos de puentes: puentes suspendidos, puentes de vigas y los puentes de

arco.

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Puente de acero.

El primer gran arco en acero es el puente de Saint Louis sobre el río Mississipi,

inaugurado en 1874, con 3 arcos en celosía tubular de luces 153+159+153 metros,

obra histórica no solo por ser el más grande y atrevido arco de su tiempo, o por ser

el más grande y atrevido arco de su tiempo, o por ser el primero construido

íntegramente en acero, sino por el gran número de novedades técnicas que se

aplicaron en su construcción.

Puentes de hormigón

En el desarrollo del hormigón podemos destacar las siguientes etapas:

1.- Época del imperio Romano: empleo de morteros y hormigones (en revestimientos

o bien en el relleno de tímpanos o encepados; cúpula del peaton de 43m en

hormigón). Utilizando como aglomerante la cal (argamasa, o cal y canto) o cementos

naturales (ceniza de Pozzuoli).

2.- Siglo XVIII se redescubre los cementos naturales a base de cenizas o de rocas

arcilloso-calcáreas.

El puente de Saint Louis

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3.-Siglo XIX: aparecen los cementos artificiales (1818: teoría de Vicat; 1824:

Apsidin patenta el cemento Portland).

En 1875 Joseph Monier construye la pasarela de Chazelet, de 16.5 m de luz, el

primer puente de hormigón armado.

II. Métodos de construcción

El puente arco está constituido por dos elementos fundamentales. El arco, principal

elemento resistente, cuya forma viene determinada como anti funicular de la carga

permanente del tablero y cuya geometría se acopla a las exigencias de la rasante de la vía

y que tiene un papel resistente secundario. Entre ellos se disponen los pilares que

transfieren la carga del tablero al arco y este la transmite a la cimentación.

La geometría del arco determina que los esfuerzos que lo solicitan, bajo la acción de la

carga permanente, sean casi exclusivamente de compresión con la introducción de una

fuerte carga inclinada en el terreno. Sin embargo, bajo la sobrecarga de utilización no

tiene por qué tener una distribución anti funicular, produciéndose tanto flexiones como

compresiones. En la suma de ambos efectos predomina la compresión que es bastante

sencilla de resistir, la cual abarata considerablemente las estructuras.

El puente de Saint Louis

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Sin embargo la estructura arco tiene varios inconvenientes que la hacen, en general

poco rentable para luces pequeñas.

En primer lugar, a diferencia del puente recto, necesita dos estructuras, el arco y el tablero

y eso es más caro que una sola.

En segundo lugar es más vulnerable que los puentes rectos frente a movimientos

horizontales del tablero. Si el arco se mueve se reduce la componente horizontal sobre las

cimentaciones y aparecen momentos flectores negativos a lo largo de toda su directriz, lo

que constituye un error de concepto pues es ir en contra de la pura filosofía del arco.

La importancia de estos esfuerzos depende de la cuantía del movimiento de la

cimentación al abrirse y por consiguiente de la relación flecha/luz, relación que constituirá

uno de los parámetros más importantes del puente arco.

En el primero, la transmisión de carga ente arco y tablero se realiza por los pilares. En el

tercero por tirantes y en el arco con tablero intermedio, una zona lo realiza con pilares y

otra con tirantes, según nos encontremos por encima o por debajo del arco.

Sin embargo, esa relación no se realiza siempre por elementos verticales. Puede ser un

tímpano macizo, lo que produciría una tipología concreta llamado arco‐tímpano, y también

se puede relacionar el arco con el tablero por medio de una triangulación, lo que

determinará un elemento con rigidez superficial, una especie de tímpano transparente.

Diferentes métodos de construcción de puentes en arco

Construcción de cimbra sobre andamiajes.

Como anteriormente se ha nombrado, este ha sido el procedimiento habitual hasta finales

del siglo XIX, pero hoy día distintas adversidades como los barrancos muy profundos, ríos

caudalosos, grandes luces, etc. dificultan la aplicación de este método constructivo en

cuanto al diseño y montaje de estos elementos y encareciendo enormemente el proceso de

construcción llegando su coste a ser equivalente al del propio puente y resultando inviable

económicamente la construcción de puentes arco.

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Hoy día este procedimiento, no se usa para grande luces, ya que requiere una altura no

muy alta para poder montar todo este sistema y poder apoyarnos sobre el terreno para el

hormigonado del arco.

Construcción por autocimbra.

Este método consiste en montar por voladizos una autocimbra, ésta es una celosía de

cordones, montantes y diagonales. El cordón inferior era la cimbra propiamente dicha.

La autocimbra está formada por una serie de cuchillos de celosía. Las barras de estas

celosías son tubos de acero rellenos de hormigón.

La construcción se lleva a cabo del siguiente modo:

a) Se monta un blondín sobre las torres temporales montadas en la vertical de los estribos

del arco por encima del tablero.

b) Se utiliza este blondín para colocar las dovelas de celosía de la autocimbra.

c) Las dovelas se atirantan al extremo de las torres para estabilizarlas durante el montaje

en voladizo. Los tirantes temporales no se quitan hasta una vez cerrado el arco que

formaba la autocimbra de celosía, para hormigonar el arco por roscas. La autocimbra

se deja perdida como es habitual en este procedimiento.

Este procedimiento presenta el inconveniente de los costes del material y del montaje, ya que

estos pueden ser superiores al arco propiamente dicho.

El procedimiento ha ido avanzando hasta parecerse mucho a las formas de construcción

actuales, este nuevo procedimiento consistía en avanzar desde los estribos con una cimbra de

madera atirantada a la pila de un estribo, que a su vez se venteaba hacia atrás contra los

viaductos de acceso. Posteriormente se hormigonaban los arcos y desde sus extremos se

elevaba una cimbra de madera para el semiarco central, que incorporaba un tirante para

mantener su forma durante la elevación. Después de esto se podían retirar los tirantes.

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Construcción por voladizos sucesivos atirantados con torre provisional.

En este proceso de construcción, las estructuras parciales por las que atraviesa el arco, no

tienen nada que ver con la estructura final, es por ello, por lo que se recurre a un sistema de

atirantamiento auxiliar, este método se basa en el atirantamiento de las secciones de arco ya

hormigonadas desde una torre provisional, sirviendo de sujeción de la estructura mientras no

está conformado el arco.

La ejecución de este método consta de las siguientes fases:

-Construcción de la cimentación y las pilas apoyadas sobre terreno natural y/o las pilas

auxiliares a ambos extremos del arco que sustentarán los tirantes auxiliares para la ejecución

del arco, además de esto se suele construir el tablero hasta una longitud razonable que no

intercepte los cables mediante cimbra autoportante hasta los pilares desde los que se van a

lanzar los tirantes.

-Comienza la ejecución del arco, esta sección dependiendo si la cerrada lo permite, se puede

realizar mediante cimbra o directamente atirantando desde la pila, teniendo en cuenta una

serie de factores, como que el inicio es la sección más solicitada en servicio y es por ello por

lo que contiene gran cantidad de armadura.

-Se va avanzando en la construcción del semiarco, para hacer posible este avance, se deben

disponer una serie de familias de tirantes en cada semiarco, contando cada familia con una

pareja de cables anclada en las dovelas ejecutadas y una pareja de cables traseros para

conseguir el equilibrio.

-Para cada familia de cables, se requiere un ciclo de maniobras de tesado, retesado y

destesado.

-Una vez realizado los dos semiarcos, se procede a colocar la dovela de cierre del arco.

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-Realizado esto, comienza la retirada de los elementos auxiliares, ya que el arco está completo

y ya es capaz de resistir por sí solo.

-Una vez cerrado el arco, se ejecutan el resto de pilas sobre el mismo que sustentaran el

tablero.

-Se realiza el tablero mediante una cimbra convencional.

La secuencia de este proceso es la siguiente:

1-Se realizan las cimentaciones del arco y sus pilas.

2-Avance en voladizo del arco, obteniendo el equilibrio mediante atirantamientos

provisionales y retenidas.

3-Se sustituye el atirantamiento provisional, por una diagonal metálica anclada a la base de la

pila.

4-Para cerrar un cuadrante se construye un dintel metálico.

5-Sujetamos el extremo del arco cerca de la clave con cables, ya que aquí no es eficaz la

triangulación.

6-Hormigonado de la clave y desmontaje de los medios auxiliares utilizados.

7-Ejecución de los tramos del tablero.

Puente con tablero superior.

Los arcos de tablero superior o de paso superior, son cuando los arcos están por debajo del

tablero. Éste es el tipo más usual de arcos verdaderos y se emplean cuando la quebrada que

se desea salvar es profunda y otras veces cuando se desea ganar gálibo para permitir el

paso de los barcos si el río es navegable ver figura 1 y fotografía 1. Se puede ver en este

caso que las péndolas trabajan en compresión al transmitir las cargas desde el tablero hasta

el arco.

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Figura 1 Arcos de tablero superior.

Su forma no ha evolucionado especialmente, pues el puente de Sando, de 264 m de luz,

récord mundial en 1943, se mantiene como arqueotipo de lo que es un puente de este tipo

y sigue de plena actualidad. Recientemente se ha terminado en España un puente

similar, el puente de la Regenta de 194 m de luz (1996).

Una configuración menos clásica pero también muy conocida, la consecuencia de la

familia de puentes de Maillart, sigue estando presente en puentes como el de

Salginatobel.

Fotografía 1 Puente Puddefjord, Bergen (Noruega), 1998. Longitud del vano: 152 m.

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Lo mismo podría decirse de los puentes metálicos. Se mantiene la configuración clásica

como el puente sobre las cataratas del Niágara de 287 m de luz, y en puentes en celosía

se han alcanzado los 518 m del New River George.

Aunque no constituye un cambio de morfología, en acero se puede modernizar el arco

utilizando tubos que introducen una nueva configuración visual. Por ejemplo en el

proyecto del puente para los accesos a Montserrat de 1991, de 115 m de luz, se abandona la

clásica disposición de dos planos verticales donde se alojan el arco y los elementos

longitudinales del tablero, para adoptar una configuración espacial más interesante, pues

un solo arco se une al tablero formando una sección cajón por el tejido triangulado de los

tímpanos. Se constituye así una configuración más compleja y muy eficaz, ante las cargas

excéntricas.

El puente de Saint Louis

Puente Albrechtsgraben, (Alemania)

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Puente con tablero intermedio.

Los arcos de tablero intermedio o de paso intermedio, tienen ubicado a media altura

su tablero, en algún punto intermedio entre los arranques y la clave y son de buen

aspecto arquitectónico. Se los emplea en quebradas no muy profundas o en pasos

superiores porque en su parte central se consigue el gálibo necesario para el paso

vehicular ver figura 3 y figura 4.

Figura 2 Arco de tablero intermedio

Fotografía 2 Puente sobre el Tyne (Newcastle),

Diseñado porMott, Hay y Anderson,

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Esta estructura ha tenido, en hormigón, una viga muy lánguida, pues no goza de las ventajas

del arco con tablero inferior, ni de las correspondientes al arco con tablero superior. Es la

consecuencia de un planteamiento resistente, en el cual, la altura de la rasante horizontal no da

suficiente relación flecha/luz para realizar un arco con tablero superior que tenga suficientes

garantías de cara a los movimientos horizontales de la cimentación. Para ganar flecha se pasa

el arco por encima del tablero. Como ejemplo de puente de hormigón hay que acudir al puente

de la Roche‐Guyon de 161 m de luz o al puente de Douro en Estocolmo de 1962 y 189 m de

luz.

En acero esta tipología tampoco ha tenido un extraordinario desarrollo pero ha sido mejor que

en hormigón, teniendo como exponente máximo el puente de Freemont en USA de (1969‐

1973) de 382 m de luz. En planteamiento reciente hay que destacar la propuesta, no

construida, de Foster y Schalaich para el puente Öresund de 600 m de luz (se construye una

solución atirantada).

Puente con tablero inferior.

Los arcos de tablero inferior o de paso inferior, son usados especialmente cuando la

rasante del camino es muy baja y por razones de estética se desea construir un arco,

ver figura 7.6.c y fotografía 7.6 en el que todas las péndolas trabajan en tracción.

Normalmente la solución de este tipo de arcos es con tirantes, caso en el que se los

conoce como arcos atirantados.

Arco con tablero intermedio

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Figura 3 Arco de tablero inferior.

Fotografía 3 Puente de Tangermunde sobre el Elba, (Alemania),

Diseñado por F. Leonhardt.

Longitud del vano: 185 m.

El arco con tablero inferior tiene una característica especial dentro del campo de los

puentes arco. No introduce reacciones horizontales en el terreno, lo que le permite

instalarse en cualquier situación resistente del suelo. Además, la relación flecha/luz se

da a voluntad. Como inconveniente tiene un proceso constructivo un poco más

complicado que los demás, aunque también podría intentarse una construcción en

avance por voladizo.

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La manera en que siempre se ha resuelto transversalmente el puente arco, ha sido la

disposición de dos planos de resistencia, con sus arcos y pilares o tirantes

correspondientes, que recogen una porción de la carga, situada excéntricamente en

el tablero, en proporción inversa a su distancia a cada uno de los dos planos.

Ya hemos visto como este planteamiento se quiebra con la disposición adoptada en el

proyecto del puente de Montserrat para arco con tablero superior. En puentes arco con

tablero inferior se multiplica la variedad de disposiciones relativas entre arco y

tablero. En el puente de Alcantarilla, se dispone un arco centrado en el tablero, la

rigidez torsional se confía a éste y el arco sólo transporta la componente vertical de la

carga. Se puede disponer dos planos de arcos paralelos como en la Coudette o se

pueden tumbar los arcos, uno contra otro.

En acero, el puente arco con tablero inferior, se ha mantenido perfectamente a lo

largo de los años. El arco puede adoptar muchas configuraciones, centrado en el

arco, propuesta para puente sobre el Ebro de 120 m de luz, con dos arcos inclinados,

unidos en la parte superior, o separados, que confieren una configuración espacial

visual y resistente muy interesante. Excéntricamente situado en el tablero e inclinado,

como máximo exponente de la capacidad que ha alcanzado la tecnología de

resolver planteamientos extremados.

Arco con tablero inferior

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6. DISENO METODOLOGICO.

7. ALCANCE.

Llegar a comparar cual es el método constructivo más eficiente para la construcción de

puentes en arco.

Citar las ventajas y desventajas de los tipos de puente en arco y sus métodos

constructivos.

Demostrar las ventajas y las desventajas de la construcción de puentes en arco de

grandes luces o vanos.

8. CRONOGRAMA.

Para esta investigación se tiene el siguiente cronograma de actividades en los cuales se planea

realizar los trabajos mencionados en este Perfil de investigación expresados en los puntos de 5

y 6 de la presente investigación.

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9. CONCLUSIONES

Según el análisis realizado se pudo apreciar que el puente en arco más eficiente

visto desde el punto de vista técnico, es el puente en arco con tablero superior,

debido a que es este tipo de puente el que ayuda a salvar luces más grandes al

igual que desnivel de terreno mayor, que los demás tipos de puentes pues es en

este en el que se puede apreciar toda la capacidad del arco que es una estructura

que trabaja de manera más eficiente a compresión llevando todas las cargas a

sus extremos o apoyos, siendo aún mejor si estos fueran fundados en Roca.

Se realizó la comparación en forma exitosa siendo resultado de esta que el

puente en arco con tablero superior es la mejor opción desde el punto de vista

técnico.

Se apreció y demostró las ventajas y desventajas de los distintos puentes en

arco, descrito en las diapositivas adjuntas.

Se determinó que la mejor ubicación para un puente en arco depende del tipo

de puente y la topografía del terreno, tipo de suelo, diseño arquitectónico,

condiciones climatológicas, entorno arquitectónico. Pudiendo solamente

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realizar recomendaciones para su ejecución por haber varios factores que

intervienen en este.

10. BIBLIOGRAFIA.

Tesis_master_Yulia_Demchenko

WIKIPEDIA.

Manual de diseño de Puentes. empresa editora Macro.(Perú)