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Junio 2014
Diseño y fabricación de una ficha
estándar para construcción de viviendas
Bogotá, Colombia
Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica Proyecto de grado
Autor:
David González Rodríguez.
Asesor:
Jorge Alberto Medina Perilla, PhD.
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Diseño y fabricación de una ficha estándar para
construcción de viviendas
Bogotá, Colombia
Resumen. En la búsqueda del bienestar ciudadano, recae la necesidad de proporcionar a todos los habitantes del territorio colombiano una vivienda digna. El déficit de vivienda en Colombia es muy alto, los costos de construcción limitan grandemente el acceso a las viviendas, los desperdicios que genera la construcción convencional son muy altos, las demoras en la construcción se deben a este sistema convencional que además no es una forma de construcción sostenible. El deseo de mejorar en el ámbito de la construcción de viviendas en Colombia, conlleva la creación de un proyecto de construcción sostenible con el uso de materiales reciclables y fichas modulares fáciles de ensamblar. Con esto se puede lograr reducir el costo de las viviendas, reducir los desperdicios, construir con mayor velocidad, crear una construcción amigable con el medio ambiente y finalmente poder proporcionar un mayor número de viviendas a los habitantes de Colombia. El primer paso para la construcción de estas viviendas, es el diseño de una ficha modular, que logre unirse con otras similares para formar los muros de esta vivienda, además de cumplir todos los requerimientos para funcionar correctamente en cualquier lugar del territorio colombiano.
Abstract. In pursuit of human welfare, emphasizes the need to provide decent housing to all the inhabitants of Colombia. However, housing deficit is quite big, high construction costs greatly limit access to the poorest and the waste generated by conventional construction is considerable. For these reasons, construction delays are common and the current construction system is unsustainable. The desire to improve in the area of housing construction in Colombia, leads to the creation of a sustainable building project with the use of recyclable materials and easy to assemble modular tabs. With this, it is possible to reduce housing costs, reduce waste, increase the speed of construction, create friendly environment projects and provide more housing to Colombian people. The first step of this plan is the design of modular tabs, that could be assembled together to form the walls of a property. These tabs must meet all the requirements for proper functionality anywhere in the Colombian territory.
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Diseño y fabricación de una ficha estándar para
construcción de viviendas
Índice
1 Contexto ... 5
1.1 Motivación ... 6
2 Trabajo previo ... 9
2.1 Construcción modular ... 9
3 Objetivos ... 12
3.1 Objetivo general ... 12
3.2 Objetivos específicos ... 12
4 Requerimientos... 13
4.1 Requerimientos de carga ... 14
4.1.1 Carga muerta... 16
4.1.2 Carga estática repartida ... 21
4.1.3 Carga estática concentrada ... 26
4.1.4 Cargas del viento ... 27
4.1.5 Cargas constrictivas ... 29
4.2 Selección de material ... 31
4.2.1 Propósito ... 32
4.2.2 Definir material... 33
4.3 Requerimientos ambientales ... 35
4.3.1 Temperatura ... 36
4.3.2 Humedad relativa ... 37
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5 Diseño de la ficha... 40
5.1 Funcionalidad ... 40
5.2 Proceso de diseño ... 44
5.3 Ajustes de diseño ... 50
6 Fabricación ... 53
6.1 Moldeo por inyección ... 53
6.2 Ajustes de fabricación ... 58
6.3 Prototipos ... 60
7 Diseño final ... 62
8 Construcción de viviendas ... 66
9 Conclusiones ... 68
10 Bibliografía ... 69
11 Anexos ... 72
Cuadro de materiales ... 73
Proceso de diseño ... 74
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1 Contexto
La construcción de viviendas necesita la colaboración de muchas empresas que entregan a la sociedad diferentes tipos de vivienda según el capital económico de su adquiridor, desde empresas que fabrican la materia prima hasta empresas inmobiliarias que venden las casas a los potenciales compradores. En Colombia existe gran variedad de tipos de vivienda, relacionados directamente con su precio; desde casas con valor de varios millones de dólares, hasta viviendas de interés social que el gobierno otorga a las personas menos favorecidas del país.
Todos los habitantes de Colombia deberían tener acceso a una vivienda digna, en donde las diferencias económicas entre ellos no los limite a tener un terreno con una construcción que les provea las necesidades básicas para su supervivencia. La construcción en Colombia limita mucho el acceso a una vivienda digna, ya que su precio es muy alto. Si se logra reducir los costos de construcción, un mayor número de personas podrán acceder a una vivienda que cumpla con los requerimientos básicos para tener una vida grata. Los desperdicios en la construcción aumentan el valor de dicha vivienda, además de generar problemas serios de contaminación ambiental. El mal uso de estos desperdicios de construcción, que contienen materiales no reciclables y que terminan finalmente como basura: en caños, depresiones o en vertederos poco controlados, generando una contaminación que no solo deteriora el campo visual, sino también problemas de roedores y humo para extraer metales. (Romero, 2006)
Es necesario tener en cuenta como motivar a la sociedad a cambiar su modo convencional de construcción y determinar a qué sector poblacional puede dirigirse este tipo de construcción. El diseño y uso de una ficha modular plástica para la fabricación de viviendas, puede traer a la sociedad varios beneficios como: reducir el costo de mano de obra, disminuir el tiempo de construcción de una vivienda, utilizar materiales plásticos reciclables para la fabricación de los muros, reducir en gran porcentaje los desperdicios por fabricación y demolición, disminuir el déficit de vivienda en Colombia y crear una construcción satisfactoria y saludable para la humanidad.
En varios países del mundo se está implementando el uso de materiales plásticos para la fabricación de viviendas, ya que la creación de asociaciones de construcción sostenible plantea que los problemas generados al medio ambiente por construcciones convencionales deterioran en gran proporción la calidad de vida de la humanidad. En Colombia existen algunos pocos proyectos que están comenzando a construir casas de materiales plásticos con interés en una construcción sostenible. Mientras que en países como Canadá este tipo de construcción se realiza hace más de 10 años, entregándole a sus habitantes miles de casas que son amigables con el medio ambiente, además de tener un bajo costo de construcción.
Se pretende realizar una construcción sostenible de casas de un piso que se puedan ubicar en cualquier lugar del territorio colombiano y que reduzca en gran proporción los problemas de la construcción convencional. Con este proyecto enfocando al sector poblacional menos favorecido de Colombia, se lograra crear un mayor número de viviendas de interés social, que podrá brindar mayor bienestar a los colombianos, con una casa digna, en donde se pueda vivir con las comodidades básicas.
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Como primera etapa de este proyecto se plantea el diseño de una ficha modular, donde se busca cumplir con requerimientos de cargas que se definen para lograr una construcción estable y segura, y con requerimientos ambientales que garanticen el correcto funcionamiento de la ficha. Así mismo, construir un prototipo que pueda ser manufacturable según la técnica de moldeo por inyección y presentar como se realizaría una vivienda con el uso de dichas fichas. Finalmente compararemos esta propuesta de construcción sostenible contra la construcción convencional.
1.1 Motivación
El proyecto de fabricación de viviendas surge de la necesidad de proveer a los habitantes de Colombia una vivienda digna. En el Cuadro 1 se resumen las motivaciones de este proyecto, el cual comienza con el diseño de la ficha modular.
Cuadro 1. Motivación del proyecto.
Es alarmante conocer el porcentaje de personas que no tienen acceso a una vivienda digna en Colombia, por lo cual se presenta a continuación los ítems que se desean reducir al implementar esta forma de construcción sostenible para viviendas de un piso, en cualquier lugar del territorio colombiano.
Déficit de vivienda en Colombia = 36 % (Porcentaje poblacional sin vivienda digna) Número de habitantes en Colombia = 47.628.585 Personas.
Total de hogares necesarios para los habitantes de Colombia = 10.570.899 Hogares. Total de hogares en déficit = 3.828.055 Hogares.
Total de hogares en déficit cualitativo = 2.520.298 Hogares. Total de hogares en déficit cuantitativo = 1.307.757 Hogares.
En Colombia el déficit cualitativo correspondiente a un 23,8% de los hogares, significa que 11 millones de personas no tienen una vivienda con las comodidades básicas, es decir que la calidad de
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estos hogares es muy baja. El déficit cuantitativo expresa que el 12,4% de la población colombiana, el equivalente a 6 millones de personas no tienen un hogar. (Dane, 2005)
Por otro lado es importante determinar el porcentaje de desperdicios en las construcciones convencionales, ya que esto genera un incremento en el costo de las viviendas y en la contaminación ambiental.
Desperdicios en construcciones con ladrillo = 29.9% (Porcentaje en volumen de los materiales sobrantes en la construcción). (Formoso, 2009)
El porcentaje presentado anteriormente varía mucho dependiendo de la construcción, este porcentaje es una recopilación de diferentes posibilidades de desperdicios entre los cuales están las pérdidas de materiales, una mala planeación del proyecto que genera la compra inadecuada de recursos y un mal manejo y control de los materiales en construcción.
Dos de las principales perdidas se presentan a continuación:
“Un mal control en la verticalidad del muro y de los espesores del revoque generaría espesores de este mucho mayores a los especificados por el constructor y al que fue presupuestado constituyéndose en una pérdida importante y común en las construcciones”
“Una mala ubicación estratégica del sitio de producción de concreto puede producir perdidas por ciclos, es decir, por trayectos demasiados largos que constituyen pérdidas de tiempo y agotan el recurso humano” (Lean, 2012)
Por otro lado es importante determinar el tiempo que se demora la construcción de una vivienda, ya que este impacta directamente: a) el costo de la vivienda en cuanto a la mano de obra y la cantidad de operarios necesarios, y b) la cantidad de viviendas que se pueden construir y la necesidad de otorgar viviendas a la población que no tiene acceso a una.
El tiempo promedio de construcción de una vivienda común utilizando el método de construcción convencional es:
Tiempo de construcción vivienda = 90 días
Si una vivienda se lograra construir en un tercio del promedio de construcción actual, tres viviendas se realizarían en vez de una, además el precio de cada vivienda se reduciría notablemente al disminuir la mano de obra. (Tiempo, 2013)
El precio de construcción de un muro de mampostería es una variable muy importante en la construcción de viviendas, ya que esto define la facilidad de que una persona tenga acceso a comprarla o la cantidad de casas que el gobierno este en capacidad de otorgar a la sociedad. Para esto se debe tener en cuenta el precio de un metro cuadrado de mampostería, incluyendo materiales y mano de obra.
Precio ladrillo 20X20X40 = COP $ 26.427 pesos Precio Mortero = COP $ 12.994 pesos
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Precio metro cuadrado de mampostería = COP $ 56.849 pesos
Al tener en cuenta que el precio para construir un metro cuadrado de mampostería es tan alto, muy pocas personas podrán acceder a una vivienda de un tamaño razonable en la cual puedan tener una buena calidad de vida. (Construdata, 2014)
Teniendo presentes las características de la construcción en Colombia y de cómo el sector de la construcción no es capaz de satisfacer las necesidades de vivienda de la población colombiana, se presenta este proyecto, con el fin de mejorar estas cifras en la mayor proporción posible, para lograr así que un mayor número de personas tengan la facilidad de vivir en un hogar con una calidad razonable.
Además de tener en cuenta la necesidad de reducir el precio de una vivienda, evitar desperdicios, reducir el tiempo de construcción y finalmente lograr reducir el déficit de vivienda en Colombia, es importante propender por una construcción sostenible, para lograr crear viviendas que sean medioambientalmente responsables, rentables y saludables para las personas que viven en ellas. (Spain Green Building Council, 2010)
Teniendo presente que las construcciones en general son responsables de un gran impacto en el medio ambiente, la economía, la salud y la productividad, es importante realizar una construcción sostenible y dirigir este proyecto de construcción de viviendas a cambiar el modo convencional de construcción por un modo más ecológico.
Algunos de los beneficios que otorga la construcción sostenible al medio ambiente, la economía y el bienestar de la sociedad, son:
Enriquecer y proteger los ecosistemas y la biodiversidad. Mejorar la calidad del aire y del agua.
Reducir los residuos sólidos.
Reducir los costos de funcionamiento. Contribuir a una calidad de vida global
Mejorar los ambientes acústicos, térmicos y atmosféricos.
Al tener en cuenta que la construcción sostenible trae muchos beneficios para la sociedad, se busca enfocar este proyecto para cambiar la construcción convencional por una construcción sostenible con el uso de materiales reciclables en la fabricación de la ficha. (Spain Green Building Council, 2010)
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2 Trabajo previo
Este es el primer paso para el proyecto de construcción de viviendas con el uso de fichas modulares que pueden lograr ensamblarse entre sí para obtener los muros de una casa. Se desarrollara la definición de requerimientos, el diseño de la ficha y la fabricación de un prototipo, como inicio de este proyecto. Es importante conocer la viabilidad de implementar este nuevo tipo de construcción sostenible en el país, además es necesario conocer que proyectos similares en el mundo han utilizado fichas modulares para construir viviendas y que proyectos han utilizado materiales plásticos para fabricar muros de vivienda. En este proyecto se seleccionara un material opcional para la realización de cálculos, predicción de fuerzas, comportamiento con los factores ambientales y la realización del prototipo, sin embargo el material final será producto de un proyecto desarrollado paralelamente a este, con el fin de obtener un compuesto caracterizado con fibras bio-poliméricas.
2.1 Construcción modular con plásticos
La construcción modular es implementar en los muros fichas o piezas que encajen entre sí logrando la construcción de un muro únicamente con el uso de estas piezas, el diseño de un módulo debe cumplir varios requerimientos, la funcionalidad define muchos de estos requerimientos que provienen de las necesidades que se desean satisfacer al interior y exterior de la vivienda. Los demás requerimientos se definen por las fuerzas externas y los factores ambientales que actúan sobre la vivienda.
El uso de fichas modulares se está comenzando a implementar en Colombia recientemente, sin embargo en el exterior ya existen proyectos que usan fichas modulares hace varios años, uno de estos proyectos tienen fichas modulares similares a las del juego Lego, este proyecto fue desarrollado en Italia y se conoce hasta el momento como el primero y único implementando esta técnica de construcción, la compañía Ecomat Research Ltd, afirma que “Con estos ladrillos se pueden construir paredes rápida y fácilmente (no necesitan mortero ni conocimientos especiales) y además tienen excelentes propiedades anti-sísmicas y resistencia superior al fuego, pesan poco, y son buenos aislantes del ruido y la temperatura.” (Ecomat, 2010) Esta es una forma de construcción similar a lo que se desea obtener con este proyecto, a continuación se muestra algunas imágenes del proyecto Italiano:
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Del proyecto de Ecomat Research se puede rescatar que es una ficha liviana, que se puede conectar transversalmente con otras piezas y su costo de fabricación es bastante bajo. Sin embargo presenta muchos problemas, la pieza en su mayoría es hueca pero no se puede atravesar tuberías en su interior, la estructura es muy débil, por lo tanto no puede soportar cargas considerables, no se pueden realizar conexiones triples para muros internos y sus superficies no son lisas en sus conexiones transversales, además de una posible obstrucción que se puede presentar al ensamblar las piezas.
En México desde el año 2008 se está implementando un sistema diferente de construcción cuyo nombre es Ceros, consiste en bloques de plástico modulares que forman muros de una vivienda por secciones, sin embargo se deben rellenar estos módulos con cemento para reforzar el plástico, además deben insertarse varillas en el interior de los módulos. Como ventajas la compañía dueña del proyecto Ceros afirma que “una casa de un solo piso se puede edificar en cuatro días aproximadamente con toda su estructura, además tiene buen comportamiento sísmico, es resistente al fuego y viento, tiene buen aislamiento térmico y acústico, además de que es una técnica 100% ecológica” (Ceros, 2012).
Figuras 3 y 4. Fichas modulares del proyecto mexicano Ceros. (Ceros, 2012)
Del proyecto Ceros se puede rescatar que el peso de los módulos de plástico es muy bajo, sin embargo se necesitan 128 piezas para formar un metro cuadrado ya que los módulos son muy pequeños, este proyecto no contempla la posibilidad de pasar tuberías en su interior, de realizar conexiones transversales, y utiliza otros materiales para formar los muros, como varillas y cemento, además no es posible garantizar estanqueidad por el diseño de los módulos, sino por el uso de otros materiales.
Un proyecto similar en Colombia tiene el nombre de Brickarp, que se compone de bloques de plástico compacto fundidos en una sola pieza compuesta por dos caras externas, dos paredes laterales y dos superficies. Este método de construcción integra elementos livianos, modulares y resistentes, que permitan instalaciones rápidas, seguras y de bajo costo. (Brickarp, 2010) Este proyecto además de utilizar plástico reciclado crea una pieza modular, capaz de ensamblarse entre sí, sin embargo el ajuste que poseen estas piezas es muy fuerte, y se requiere de mucha fuerza para ensamblarlos.
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Figuras 5 y 6. Fichas modulares del proyecto colombiano Brickarp. (Brickarp, 2010)
Del proyecto de Brickarp realizado en Colombia, se puede rescatar varios aspectos de diseño, como la creación de dos superficies para evitar el paso de agua, lo cual ayuda a la estanqueidad, las superficies externas son lisas y de fácil ensamble por sus conexiones directas. Sin embargo tiene varios problemas como el ajuste forzado, no se pueden lograr de ninguna manera conexiones transversales, la pieza no permite tuberías en su interior y en algunos casos debe modificarse para ensamblarla.
En Colombia la empresa Woodpecker SAS ha creado un nuevo sistema de construcción de viviendas con el uso de fibras vegetales y polímeros. La empresa afirma que las casas que pueden fabricar son livianas y tienen buenas características sismo resistente, las piezas se acoplan fácilmente y la construcción es sencilla y modular, lo que permite ampliaciones posteriores a la construcción. Esta empresa provee todo el sistema de construcción de una vivienda, la cual incluye muros, pisos, ventanas y columnas, entre otros. Sin embargo para este proyecto únicamente es necesario conocer como son las fichas que crean los muros. A continuación se presentan las imágenes del proyecto de la empresa Woodpecker SAS. (Woodpecker, 2010)
Figuras 7 y 8. Fichas modulares del proyecto colombiano Woodpecker. (Woodpecker, 2010)
Del proyecto de la empresa Woodpecker SAS se puede rescatar la sencillez de la construcción, ya que las piezas son muy fáciles de ensamblar entre sí. Por otro lado el diseño de las piezas genera estanqueidad sobre su superficie superior, ya que la superficie interna es superior a las superficies externas en toda la longitud de la pieza. Sin embargo el diseño de la pieza no permite construcciones transversales y no permite ningún tipo de tubería en su interior
Finalmente de los proyectos similares se rescataron algunas ideas que se consideran relevantes para la solución de los requerimientos funcionales, sin embargo es necesario implementar nuevas ideas para que todos los requerimientos funcionales que se planteen se solucionen de la mejor manera.
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3 Objetivos
A continuación se presentan los objetivos del proyecto, en primer lugar el objetivo general y posteriormente los objetivos específicos, los cuales siguen un orden cronológico de lo que se desarrollará en el proyecto.
3.1 Objetivo general
Diseñar y fabricar una ficha estándar para construcción de viviendas, que logre unirse con otras similares para formar los muros de esta.
3.2 Objetivos específicos
Definir las cargas que deben soportar los muros de una vivienda en situaciones extremas.
Conocer los factores ambientales que influyen sobre los muros, que puedan llegar a cambiar la forma y resistencia de las fichas.
Definir la geometría que debe tener una ficha para ser capaz de unirse con otras sin la necesidad de aplicación de otro material.
Diseñar una ficha estándar capaz de soportar todas las fuerzas, temperaturas y demás adversidades que tiene una vivienda.
Construir un prototipo de una ficha estándar que cumpla con todos los requerimientos para su uso.
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4 Requerimientos
La necesidad de definir ciertos requerimientos para el diseño de la ficha de construcción es garantizar su correcto funcionamiento en cualquier lugar del territorio colombiano, las cargas presentes, las características del material y los factores ambientales, serán los requerimientos que se definirán teniendo en cuenta las condiciones críticas de operación, así se garantizara que la composición y geometría de la ficha este en capacidad de soportar las adversidades presentes en las construcciones, sin alterar su correcto funcionamiento.
En primer lugar es necesario conocer las cargas que se presentan comúnmente en una vivienda y predecir cual podrá ser su valor máximo, con el fin de garantizar que la ficha de construcción luego de someterse a dichas cargas extremas no va a cambiar su forma, ya que si dicha ficha no está en capacidad de soportar este nivel de cargas, se puede alterar el correcto funcionamiento de la estructura o llegar al deterioro o la destrucción de la vivienda. Es importante conocer el lugar de aplicación, la distribución y la magnitud de cada carga que se considere relevante para el diseño estructural de la pieza, al obtener el resultado de cada una de ellas, será posible predecir el espesor necesario de la ficha, el máximo esfuerzo soportado y su lugar de aplicación, el desplazamiento máximo y el factor de seguridad de la pieza. Al definir el espesor de la ficha es importante tener en cuenta no sobredimensionar el diseño, ya que esto puede generar gastos en exceso de material y dificultades en la manufactura, por lo tanto es importante tener en cuenta el factor de seguridad que se desea obtener y realizar un diseño que distribuya los esfuerzos correctamente sobre toda la pieza.
El material seleccionado y sus características influyen directamente en el cumplimiento de los requerimientos, ya que hay materiales que soportan diferentes cargas, tienen una diferente densidad, diferente temperatura de servicio, diferente coeficiente de expansión térmica y diferente comportamiento frente a la humedad, entre otros. Por lo tanto es importante determinar que características del material son más relevantes para el diseño, comparar diferentes materiales y determinar finalmente que material se puede adaptar mejor al modelo, cumpliendo de la mejor manera las características presentes en la aplicación determinada.
Por otro lado es importante conocer los factores ambientales que influyen en las construcciones, para determinar si se puede presentar un deterioro o cambios en la composición del material al exponerse a variaciones climáticas. Es necesario realizar un análisis sobre todo el territorio colombiano para determinar el lugar y la magnitud de los casos extremos de temperatura, humedad relativa y precipitaciones, con lo cual se podrá realizar una comparación con las características del material y definir si este está en capacidades de soportar sin problema los cambios en los factores ambientales presentes en Colombia.
Al definir todos los requerimientos de cargas, características del material y factores ambientales, será posible garantizar que la ficha diseñada al ser parte del muro de una vivienda podrá cumplir su función correctamente y podrá proporcionar a los habitantes de la vivienda seguridad y comodidad en cualquier lugar que se desee construir. Posteriormente se podrá realizar una simulación del comportamiento de la ficha, seleccionando el material preferente y aplicar las cargas extremas que se definan.
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4.1 Requerimientos de cargas
Las cargas son fuerzas externas que actúan sobre una estructura, mientras que los esfuerzos son las fuerzas internas que resisten las cargas. Las cargas externas pueden actuar de diferentes maneras y generar una respuesta del material que depende de sus propiedades y su forma, esto puede llegar a generar deformaciones y alterar la funcionalidad del elemento.
Las diferentes aplicaciones de cargas generan el siguiente comportamiento del material:
Fuerzas cortantes: Hacen que unas partes del material se deslicen sobre las otras, creando una respuesta de carga negativa a la que se está aplicando en un plano adyacente.
Fuerzas de tensión: Hacen que partes del material se extiendan a favor de las cargas aplicadas. Fuerzas de compresión: Hacen que el material se comprima en dirección a las fuerzas aplicadas. Fuerzas de torsión: Hacen que el material gire a favor de la carga aplicada.
Fuerzas combinadas: Hacen que el material se comporte en una forma resistiva de diferentes fuerzas aplicadas en conjunto de las mencionadas anteriormente.
Las fuerzas aplicadas sobre el material se pueden clasificar en diferentes tipos, los más importantes que recaen sobre materiales de construcción son los siguientes:
Cargas estáticas: Son fuerzas que recaen permanentemente sobre el material, no tienen un impacto sino que se colocan suavemente sobre él. En el caso de las construcciones un ejemplo de cargas estáticas puede ser las demás piezas que conforman partes superiores del muro y las vigas que sostienen el techo.
o Cargas repartidas: Son las cargas estáticas que se colocan uniformemente sobre un área, estas cargas son cargas verticales y recaen sobre toda la superficie superior. En el caso de las fichas modulares además de soportar cargas que se coloquen en su superficie, debe soportar su propio peso y cada plano paralelo que esté por debajo de la superficie va a soportar más peso, al incluir el peso del material que esta sobre el pero hace parte del mismo elemento.
o Cargas concentradas: Son las fuerzas que se aplican sobre una pequeña área del material, en las construcciones son cargas que se colocan sobre las paredes, probablemente por el uso de puntillas para colgar objetos o realizar agujeros para implementar una toma eléctrica, un televisor o una lámpara.
Cargas dinámicas: Son las fuerzas que varían con el tiempo, pueden estar presentes en diferentes momentos y ausentes en otros, estas fuerzas pueden incluir impactos y constantes repeticiones. En las construcciones se observan cargas por diferentes objetos que se colocan apoyados en los muros o vibraciones transmitidas por los cimientos.
o Cargas repetidas: Son las fuerzas que pueden variar en su punto de aplicación y en su magnitud.
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o Cargas de impacto: Son las fuerzas que además de su peso traen un movimiento externo, es decir, algo que golpea el material. En este caso puede ser cualquier objeto lanzado hacia un muro o una onda de impacto ocasionada por una explosión.
Otro tipo de cargas son generadas por el ambiente, pueden describirse como cargas estáticas o dinámicas, pero se clasifican según su origen; las que afectan una construcción son:
Cargas muertas: En este caso es el propio peso de la ficha de construcción.
Cargas de viento: Son las fuerzas generadas por el viento, generalmente teniendo en cuenta la mayor velocidad de este analizada en el sitio de ubicación, es aplicada sobre una sola cara del muro y puede ser considerada de distribución uniforme.
Cargas sísmicas: Puede ser una de las cargas más importantes pero de menor ocurrencia ya que pueden generar grandes desplazamientos de la superficie inferior de la construcción. Se genera por un movimiento sísmico que se puede predecir según el lugar de ubicación de la estructura y se tiene muy en cuenta para desarrollar los cimientos de la construcción.
Es importante analizar la influencia del ambiente, que pueden llegar a causar cargas extra sobre el material, las más importantes presentes en los muros de una vivienda son:
Cargas constrictivas: Estas cargas se presentan por las restricciones dimensionales, cuando el material sufre una dilatación térmica y pretende expandirse, otro elemento por su forma lo restringe y crea cargas internas.
Cargas de encogimiento: Estas cargas presentes en los muros son causa de cambios del contenido de humedad en el material. (Merrit, 1997)
Cargas de servicio:
Para el diseño de un prototipo de ficha de construcción para viviendas es necesario predecir cómo van a ser las cargas mencionadas anteriormente, darles una magnitud en su caso extremo de funcionamiento para poder crear un elemento que sea confiable en su propósito de aplicación.
Al analizar las posibles situaciones en las que se ve involucrada una vivienda se van a determinar las cargas más importantes, se va a predecir su magnitud en un caso extremo y se va a encontrar los posibles ajustes necesarios para evitar cargas internas. Las principales cargas a analizar son las siguientes:
Carga muerta
Carga estática repartida Carga estática concentrada Cargas del viento
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Las cargas sísmicas se tienen en cuenta como normatividad para encontrar algunas dimensiones de los muros, otros tipos de cargas no serán tenidos en cuenta ya que se analiza una ficha como unidad y no el comportamiento de un conjunto al formar un muro completo.
4.1.1 Carga muerta
Las cargas muertas presentes en la construcción varían dependiendo de la estructura a utilizar, en el caso de una vivienda simple, la única fuerza para tener en cuenta es el propio peso de la ficha, esta varía dependiendo de su volumen y del material de construcción, en primer lugar es importante conocer el tamaño aproximado tendiendo a las mayores dimensiones posibles, en seguida tener la densidad del posible material a utilizar para calcular su masa y finalmente su peso.
Volumen:
El volumen va ser considerado máximo como la mitad del espacio que ocupa su forma rectangular extendida, ya que es muy probable que todos los espacios necesarios para su funcionalidad como conexiones, espacios libres internos y reducción de peso para que sea más eficiente y económico, ocupen más de la mitad de su espacio total.
Un ladrillo común utilizado en las construcciones en Colombia puede variar su tamaño, sin embargo el espesor de los muros tiende a ser generalizado para todas las viviendas ya que los materiales como el concreto y el ladrillo son utilizados comúnmente, por lo tanto será necesario hacer una proporción entre el espesor y el ancho para hallar un supuesto del tamaño de la ficha.
El ladrillo con las mejores características encontrado en un almacén común en Colombia es el siguiente (Homecenter, 2014):
Ladrillo “Ceranova”:
Tamaño: 300*200*100 (mm) Material: Arcilla
Necesidad de cemento para conectarlos entre sí. Espesor 12 mm.
Por otro lado las fichas de construcción ya se han venido desarrollando en otros proyectos, sin embargo no se utilizan de manera masiva y los prototipos son muy sencillos y poco confiables, ya que se basan en una ficha estándar que no cumple con todas las características necesarias para una vivienda: Ficha de plástico (Proyecto Ecomat research):
Tamaño: 330*250*160 (mm) Peso: 3.32 Kg
Material: Plástico reciclado
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Al conocer diferentes piezas similares de construcción se pretende estimar su forma final, y con el uso de algún material opcional poder estimar su peso. A continuación se presenta un esquema con las principales dimensiones de la pieza y su relación con la geometría:
Cuadro 2. Dimensiones principales de la ficha.
Estimación de Z (Espesor de la pieza):
Un muro de vivienda común en Colombia para una casa de 1 o 2 pisos, debe seguir las siguientes normas para el espesor del muro:
Según la NSR-10 (Norma sismo resistente E.3.5):
Según la Altura Libre: La altura entre pisos no puede superar 25 veces el espesor del muro. Según la longitud libre horizontal: La longitud de la pared no puede superar 35 veces el espesor
del muro.
Espesor mínimo de los muros: Se presenta la siguiente tabla que muestra el espesor mínimo de los muros, en diferentes zonas según la amenaza sísmica y el número de pisos de la vivienda. (Para este caso se resalta el valor más relevante)
Zona de amenaza
sísmica
Numero de niveles de construcción Un piso Dos pisos
Nivel 1 Nivel 2
Alta 110 110 100
Intermedia 100 110 95
Baja 95 110 95
Tabla 1. Tabla E.3.5-1 Espesores mínimos nominales para muros estructurales en casas de uno y dos pisos en mm. (NSR-10)
Al conocer un valor para el espesor mínimo del muro como se presenta en la tabla 1 y el valor de una ficha similar ya existente, se procede a predecir cuál será el espesor más óptimo para la ficha de construcción.
Como la densidad de los materiales plásticos es inferior a la utilizada en la construcción convencional, se piensa hacer una pieza con mayor espesor, si el espesor aumenta se mejora la
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estabilidad. Sin embargo al aumentar mucho el espesor se pierde espacio útil y se requiere de más material, lo que genera una pieza menos eficiente.
En este caso se pretende estimar el espesor máximo, para predecir el mayor volumen y la mayor carga muerta, como se pretende tener una ficha lo más eficiente posible el espesor no debe ser muy ancho y además ser superior al mínimo establecido, por lo tanto una primera consideración del espesor es 110 mm antes de considerar otros factores dimensionales.
Estimación de X (Largo de la pieza):
Para determinar la longitud de la ficha es necesario conocer que entre más largas sean las fichas más límites de construcción existen. Esta longitud se va a determinar cumpliendo con la longitud mínima de un muro, que se establece para garantizar que la edificación tenga capacidad de disipación de energía en el rango inelástico, debiéndose cumplir para cada muro en todas las direcciones principales. (NSR-10)
Para calcular la longitud del muro se tiene en cuenta la siguiente ecuación:
En donde es una constante que define la amenaza sísmica con valores entre 4 si es muy poca amenaza y 33 si es la más alta. El valor t es el espesor del muro. El valor es el área del piso que está soportando los muros, es decir, el área que se desea habitar. En este caso, para una vivienda con la peor amenaza sísmica en Colombia la longitud de la pared no puede superar 35 veces el espesor del muro. Para la estimación del espesor presentada anteriormente de 110 mm se podrá lograr un máximo de muro de 3.85 metros, el área compuesta por un cuadrado de esta longitud es 14.82 metros cuadrados, por lo tanto la longitud mínima del muro debe ser igual a (NSR-10):
No es posible crear un área de 14.82 metros cuadrados, si cada muro debe tener mínimo 4.45 metros, por lo tanto para el espesor encontrado anteriormente al considerar la peor amenaza sísmica, el área máxima de construcción seria:
Un área de 12.83 metros cuadrados no es suficiente para determinar un máximo de área habitable para las viviendas de interés social en Colombia, por lo tanto se busca aumentar el espesor y poder realizar muros más largos, lo que equivale a un área mayor.
El gobierno colombiano mediante los Decretos 2060 y el 2083 del 24 y 28 de junio de 2004, expedidos por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, logro establecer unas normas mínimas de calidad y un área mínima de lote de 35 metros cuadrados, y determino que el
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máximo de vivienda que se podrá otorgar según el mercado será de 50 metros cuadrados. (El País, 2014)
Si se considera un máximo de vivienda de 50 metros cuadrados, la habitación de mayor área no podrá superar los 30 metros cuadrados para poder dar lugar a las demás necesidades de la vivienda, por lo tanto si se determina esta área máxima de construcción se obtiene un espesor de:
Ya se obtiene un espesor funcional para el territorio colombiano, sin embargo se considera que este espesor está sobre dimensionado, si se intenta optimizar dicho valor para construir un área de 30 metros cuadrados lo más eficiente posible se obtiene:
Al solucionar la ecuación para determinar el valor de X en mm, el espesor resultante es:
Luego de optimizar el valor para el espesor y poder tener el área máxima determinada, se presenta este valor como el espesor deseado, sin embargo se decide aproximar este valor a 170 mm, con el fin de poder realizar ajustes, luego de determinar la expansión térmica de la ficha.
Z = 170 mm
Para estimar el largo de la pieza únicamente es necesario cumplir un requerimiento funcional básico que es la conexión transversal, para que una pieza pueda conectarse satisfactoriamente con otra en posición transversal la longitud de la pieza debe ser exactamente el doble del espesor:
Página 20 de 72 Estimación de Y (Alto de la pieza):
La altura de la ficha se pretende estimar con relación a la altura del muro, es decir cuántas fichas se necesitan para formar la totalidad de la altura de un piso. Esta variable depende también de la facilidad de instalación y transporte, ya que una persona debe poderla colocar fácilmente. Si la altura entre pisos no puede superar 25 veces el espesor del muro y se considera un muro de 170 mm, el muro máximo puede ser de 4.25 metros.
En la actualidad las casas de interés social no superan los 2.2 metros de altura, se necesita tener en cuenta dos consideraciones para esta estimación, en primer lugar se desea obtener un valor múltiplo de 2200 mm, ya que la limitación en el diseño de la vivienda viene dada por las dimensiones de la pieza. Por otro lado se desea mantener una proporcionalidad de diseño con los valores de largo y espesor encontrados anteriormente, además es importante considerar que entre menos altura tenga la pieza se aumenta la estabilidad.
Si se predice que la vivienda va a tener 2.2 metros de altura, según la proporcionalidad de diseño el valor de la altura de la ficha debe ser superior a 170 mm e inferior a 340 mm, además de ser múltiplo de 2200 milímetros, el valor se desea lo más cercano al espesor para aumentar su estabilidad, por lo tanto el múltiplo entero más cercano al espesor es 200 milímetros y se necesitarían 11 fichas para alcanzar la altura total de la vivienda.
Y = 200 mm
Teniendo un estimado de los posibles valores de la pieza se calcula el volumen de la siguiente forma:
Selección de material opcional para calcular el peso:
Como material opcional para el cálculo de cargas se selecciono el PVC (Polyvinyl chloride) por sus siglas en ingles, que significa Policloruro de vinilo. Ya que este material posee alta resistencia y rigidez, soporta altas temperaturas, es altamente inerte a los solventes y sustancias químicas, tiene escasa absorción de agua y es reciclable. Por otro lado este es el material más utilizado para crear viviendas con plástico en el mundo.
La densidad de este material es aproximadamente:
Cálculo de la carga muerta máxima: La masa total del material seria:
Página 21 de 72 El peso total:
Como se predice tener por lo menos la mitad vacía, el peso total máximo seria:
Finalmente el valor de la carga muerta máxima se predice en: Carga muerta = 73.15 N
4.1.2 Carga estática repartida
Las cargas estáticas repartidas son aquellas que se aplican sobre toda la superficie de la pieza y permanecen allí durante todo el periodo de funcionamiento que por lo general es muy prolongado y constante, ya que son pesos de objetos o parte de la estructura en la parte superior. Para viviendas de un solo piso las cargas estáticas repartidas son únicamente el peso del muro y el peso del techo. Por lo general estas cargas se definen con muchos más elementos, pero únicamente para edificaciones que tengan dos pisos o más, porque se cuenta con múltiples variaciones de acuerdo al uso que se la da a la habitación superior.
Para la estimación de las cargas estáticas repartidas presentes en una vivienda de un piso, se calculará el máximo que soportara la pieza inferior sobre su superficie, ya que el peso de la misma es tenido en cuenta en la carga muerta. El máximo se definirá de dos maneras, en primer lugar se calculara el peso de todo el muro por encima de la pieza inferior, teniendo en cuenta la carga muerta de la pieza y la altura máxima que se supone que podrá tener una vivienda. En segundo lugar se calcula el posible peso máximo del techo, suponiendo que este se construye de tal manera que se reparte equitativamente sobre toda la superficie, además de tener en cuenta el área máxima de habitación.
Peso del muro:
Para calcular el peso del muro se tiene en cuenta la Figura 7, donde se puede observar mejor el peso a calcular que recae sobre la pieza inferior.
Como se puede observar en la siguiente figura, el peso que va a soportar la ficha inferior es el peso muerto de diez fichas idénticas colocadas sobre esta. En cada fila de fichas se soporta una ficha completa, aunque en algunos casos es la mitad de dos fichas, el equivalente a una ficha completa, por lo tanto el peso es exactamente 10 fichas ya que se considera una altura máxima de muro de 2.2 metros.
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Figura 9. Ilustración del peso a calcular del muro sobre la pieza inferior.
Área superior de la ficha:
Peso total del muro sobre la ficha inferior:
La fuerza encontrada anteriormente, se supone que va a ser la máxima fuerza proveniente del muro que va a soportar la ficha inferior, y se distribuye uniformemente sobre toda el área superior de la misma.
Peso del techo:
En primer lugar se considerara un área máxima de habitación para poder conocer la superficie total del techo, posteriormente se buscaran materiales para la construcción del techo y se definirá la cantidad necesaria de cada elemento que conforme el techo, finalmente se calculara el peso total del techo teniendo en cuenta la cantidad de elementos necesarios y su respectivo peso.
Se supone un área máxima para la habitación de la vivienda, anteriormente se presenta para la estimación de X, un área máxima de 30 metros cuadrados.
Se selecciona una material opcional que conformara todo el techo, este se supone que cubrirá 1.5 veces el total del área ya que partes del techo se sobreponen para sostenerse. Si se selecciona una teja común en Colombia marca Koyo, referencia Platino Trapezoidal con características presentadas en el siguiente cuadro. (Koyo, 2014)
Página 23 de 72 Teja Platino trapezoidal
Longitud 1,2 – 3,6 m
Ancho total 0,83 m
Ancho útil 0,73 m
Espesor 1 mm ± 10%
Peso/m2 1,6 Kg
Perfil de temperatura -40 a 60 ° C Inclinación 15 grados min. Distancia entre cerchas 1,3 m máx.
Tabla 2. Características Teja marca Koyo. (Koyo, 2014)
Si se supone un área de 30 metros cuadrados y un máximo de 1.5 en sobre posicionamiento de las tejas, el área total seria 45 metros cuadrados, además es necesario tener en cuenta que el techo no es perpendicular a los muros, por lo tanto el ángulo a tener en cuenta será considerado dos veces el mínimo necesario para las tejas, debido a que es un espacio no útil y es probable tener lugares donde se requiera una mayor altura del techo por fuerzas del viento, o por la facilidad que genera el desplazamiento de fluidos en la superficie al aumentar el ángulo.
Se considera la siguiente figura para determinar el área del techo total a cubrir con tejas, la teja seleccionada es una teja común de bajo precio, que puede ser utilizada en etapas posteriores del proyecto y es necesaria en este caso para predecir el peso del techo sobre la ficha de construcción, sin embargo el proyecto no se limita al uso de estas tejas.
Figura 10. Ilustración del área para cubrir con tejas.
Si el ángulo es 30 grados, para modificar el área y ajustarla al área negra que se muestra en la Figura 8, se realiza el siguiente procedimiento.
Longitud = m α = 30°
Altura = Longitud final =
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Si se tiene en cuenta la nueva dimensión el área total seria (incluyendo un multiplicador de 1.5 por sobre posicionamiento de las tejas):
Para calcular el peso total de las tejas es necesario conocer el peso por metro cuadrado presentado en la Tabla 2, y el área total.
Para calcular el peso de las cerchas que sostienen las tejas únicamente es necesario calcular una de ellas y dividirla entre 2 por los dos elementos que van a sostenerla, ya que solo se está analizando el elemento crítico.
La cercha se va a calcular de la siguiente forma, se supone un perfil en ángulo y se calcula la longitud total necesaria para armar la cercha, con el peso por metro de un perfil en ángulo comercial, se calcula el peso total de la cercha. Finalmente este se divide en dos, por las dos fichas que la van a sostener a cada extremo de la cercha.
Perfil en ángulo:
Se supone un perfil en ángulo comercial de la mayor medida disponible para esta aplicación, además de ser utilizado comúnmente por la compañía Incafe para la creación de cerchas de vivienda; este es un ángulo de 30 X 3 mm, con un peso por metro lineal de 1.62 Kg/m. (Incafe, 2014)
Se supone la siguiente figura para el cálculo de la longitud lineal total de la cercha.
Figura 11. Configuración de la cercha para cálculo de la longitud del perfil en ángulo.
Para calcular la longitud total del perfil en ángulo a utilizar en el caso crítico, cada cercha se compone de dos triángulos idénticos como los que se presentan en la Figura 9, y se supone una separación de 10 cm entre cada triangulo, los cuales se conectan en cada unión; si el número total de uniones es 12, se deben agregar 1.2 metros al total. Se calcula a continuación el total de metros por cercha.
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L =
A = L tan α = 2.74 tan 30° = 1.58 m
Suma de la longitud total de la cercha:
Peso total sobre cada pieza:
Finalmente se tiene el peso total que afecta una ficha en su parte superior uniformemente distribuida por parte de las tejas y por parte de las cerchas que sostienen estas tejas. Sin embargo, es importante distribuir el peso de las tejas en la cantidad de fichas que la soportan.
El peso total de las tejas es 815.59 N. Si se supone que la repartición de cargas estará únicamente distribuida sobre las fichas que tenga el apoyo de las cercha, es necesario determinar el número total de cerchas necesarias para sujetar las tejas, como se observa en la Tabla 2 las cerchas no se pueden separar más de 1.3 metros entre sí. En los extremos se colocan dos cerchas que se sostienen sobre todo el muro, para una longitud de muro de es necesario mínimo 6 cerchas para su sujeción, por lo tanto el peso de las tejas se dividirá equitativamente sobre las seis cerchas y a la vez este peso se distribuirá equitativamente en los dos apoyos de las cerchas, que no están ubicadas en el extremo de la vivienda.
Para calcular la fuerza total se suma el peso de las tejas que recae sobre una ficha y el peso de las cerchas correspondiente a la ficha más crítica.
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Total carga estática repartida:
Para calcular el total de la carga estática repartida es necesario sumar la carga del muro que este sobre la ficha inferior, más la carga del techo que debe soportar.
4.1.3 Carga estática concentrada
Las principales cargas estáticas concentradas que afectan permanentemente la pieza, son las que abarcan una pequeña área del material pero nunca se retiran de allí. Para el caso de las viviendas de un piso estas cargas están poco presentes, sin embargo se pueden analizar cargas por presencia de objetos que cuelgan de las paredes. Los principales objetos que pueden generar una carga estática concentrada en los muros de una vivienda son: cuadros, lámparas, televisores y enchufes eléctricos; algunos de ellos requieren modificar la geometría de la pieza, realizando perforaciones sobre la superficie que se encuentra al interior de la vivienda.
Para estas cargas es necesario calcular el peso de un cuadro, una lámpara, un televisor con su correcta distribución sobre las piezas y un enchufe eléctrico. Suponiendo que solo un objeto puede colocarse sobre una ficha, el valor de la carga máxima que un objeto pueda generar será considerada la carga estática concentrada máxima. Esta carga puede estar presente en la superficie o en un costado de la pieza, además abarca únicamente una pequeña área en comparación al área total de la pieza.
Si para un cuadro se supone que el lienzo es despreciable con respecto al peso del marco que generalmente esta hecho de madera. Al suponer que un marco grande para una vivienda de interés social puede tener dimensiones de 1.5 X 1 metros, un ancho del marco de 0.05 metros y una profundidad de 0.03 metros, y pueda estar construido de Roble, que es una de las maderas más pesadas para esta aplicación, el peso total del marco seria:
Al calcular el peso de un cuadro y determinar que el peso de un enchufe eléctrico es despreciable en comparación a los otros tres objetos a calcular; el objeto más pesado será el resultado de la carga estática concentrada.
Página 27 de 72 Para el televisor el peso supuesto es:
Un televisor LED marca LG de 42 pulgadas utilizado comúnmente en la sociedad actual y considerándolo como el televisor más costoso al que pueda acceder un ciudadano que viva en una casa de interés social, se investiga el peso de este televisor el cual está registrado en 13.3 Kg, el sujetador a la pared tiene un peso despreciable y este debe colocarse sobre dos fichas por su amplia longitud, el total de la carga estática concentrada por parte de un televisor es: (LG, 2014)
El peso máximo de una lámpara de pared según la compañía IKEA, la cual tiene un su portafolio una lámpara con un peso de 1.1 Kg y es la más pesada que tienen; esta se ubicaría sobre la superficie externa de la ficha al interior de la vivienda y el peso máximo que debería resistir seria: (Ikea, 2014)
Al determinar el peso de diferentes objetos se puede predecir que el valor máximo de la carga estática concentrada es de 65.24 N, el equivalente a la mitad del peso de un televisor común, la distribución de este peso puede ser puntual, perforando una superficie lateral de la pieza, para este caso es importante determinar cómo alterara el correcto funcionamiento de la pieza al ser sometida a una deformación permanente de su geometría, en la cual se podrá instalar otros objetos y agregar un peso extra a la estructura.
4.1.4 Cargas del viento
Las cargas producidas por el viento son aquellas que golpean el material debido a la velocidad del viento, estas son una presión lateral que varia con la altura de un edificio, sin embargo para las casas de un solo piso se puede considerar que la velocidad del viento es constante en toda su altura, además es importante conocer que el viento varia constantemente su ángulo de ataque, pero para este caso se supone que el viento actuara perpendicular a la cara externa de la pieza, ya que es cuando el viento golpea con mayor fuerza una superficie.
A pesar de que el viento varía mucho a lo largo de la vida útil de la construcción a realizar, la carga del viento puede ser considerada una carga estática uniformemente repartida por toda la superficie y únicamente es necesario conocer la carga máxima que proveerá el viento cuando esté presente a su mayor velocidad. Otra consideración importante para las viviendas de un solo piso, es que por su cercanía al suelo muchos obstáculos reducen la velocidad del viento con la que va a impactar la superficie externa de la vivienda, sin embargo para este análisis además de suponer la mayor velocidad
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del viento, se supone que esta vivienda está libre de objetos al exterior que pueden reducir dicha velocidad.
Por otro lado es importante considerar que las cargas del viento además de actuar de manera perpendicular a la superficie de la pieza, pueden crear un empuje o una succión de la pieza, que dependen del sentido del viento y la forma de la vivienda. Además de ser fuerzas contrarias las que puede generar el viento, la fuerza de empuje al golpear directamente el viento a una superficie es mucho mayor que la fuerza de succión que dicha velocidad podría generar. A continuación se presenta un esquema para poder observar como ataca el viento las diferentes caras de la vivienda.
Figura 12. Fuerzas que genera el viento a una vivienda.
Para determinar la presión que ejerce el viento hay que determinar el nivel de exposición de la construcción, como ya se planteo anteriormente, el peor de los casos es cuando la construcción está expuesta directamente al viento, es decir, no tiene ningún obstáculo que reduzca su velocidad antes de llegar a la construcción.
Según el Manual integral para el diseño y la construcción de Frederick S. Merritt la máxima exposición se denomina Exposición D la cual se aplica para áreas planas no obstruidas expuestas al viento que sopla sobre una gran extensión de agua, con una distancia a la línea de la costa desde la construcción de no más de 1500 pies, el equivalente a 457.2 metros.
Para la Exposición D se plantea la siguiente ecuación:
La altura máxima de la vivienda se establece en 2.2 metros, igual a 7.22 pies. Por lo tanto la constante K es igual a:
Sin embargo para la Exposición D se plantea que para alturas menores a 15 pies la constante K debe ser igual a 0.0031. (Merrit, 1997)
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Si la velocidad del viento más alta se presenta en la región del Atlántico, según los datos de la velocidad básica del viento por la norma ASCE 7- 95, esta velocidad es de 130 Km/h, igual a 80.78 millas/h.
Por lo tanto la presión de la velocidad del viento es:
Si la presión que ejerce el viento sobre la cara externa de la pieza es la mostrada anteriormente, se procede a calcular la fuerza del viento:
Conociendo los valores de la presión máxima del viento y el área lateral de la pieza se calcula la fuerza total sobre la cara externa de la pieza.
4.1.5 Cargas constrictivas
Las cargas constrictivas son reacciones internas del material en sus uniones con otras piezas, donde se crean fuerzas por cambios de temperatura al dilatarse el material y querer expandirse, en el ajuste con otras piezas se limita esta expansión y se crean fuerzas en las superficies de contacto de la pieza. Sin embargo, como los ajustes entre uniones de piezas son del mismo material este también se dilata en la misma magnitud, pero para el cálculo de las cargas constrictivas se realizara el supuesto de que la cara externa que limita la expansión del material esta inmóvil y restringe en totalidad el movimiento, por lo tanto se genera un esfuerzo interno por buscar expandirse pero estar limitado a hacerlo. Así se puede determinar el estado de esfuerzos en diferentes lugares de la pieza y determinar si dichos esfuerzos superan el límite de fluencia del material.
Para este caso se tienen en cuenta dos datos importantes, en primer lugar se determinara el delta mayor de temperatura presentado en Colombia según los datos del Ideam, y en segundo lugar las características del material seleccionado provisional, el Policloruro de Vinilo.
El delta de temperatura máximo en Colombia se determinó con la máxima variación de temperaturas analizada para cada mes en todas las regiones del país, se selecciono el municipio que presento dicha variación de temperatura y se selecciona este delta de temperatura para realizar los cálculos; si la ficha está en capacidad de soportar esta variación de temperatura, podrá soportar la variación que se presente en cualquier lugar del territorio colombiano.
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La temperatura de referencia del municipio que presento un delta mayor de temperatura es:
MUNICIPIO DEPARTAMENTO ELEV [m] LONGITUD LATITUD Delta °C Sogamoso Boyacá 2500 72°58’4.5”W 5°40’37.0”N 19,3
Tabla 3. Delta de temperatura máximo en Colombia según Ideam. (Ideam, 2014)
Al someter la pieza a un delta de temperatura, generará que su geometría se expanda y se contraiga repetidas ocasiones dependiendo de la magnitud del delta, si la pieza está en libertad de hacerlo no se crearan esfuerzos internos, pero si la ficha está restringida el material buscara cambiar su forma y no podrá, por lo tanto se crean reacciones internas, pero conservara sus dimensiones.
Con el delta de temperatura máximo de operación de la pieza, se calcula la expansión térmica del material en su longitud total, ya que en este lugar va a estar restringido por otra pieza que se desea expandir igualmente:
Para la longitud total de 0.34 metros:
Como el módulo de elasticidad varia con la temperatura, disminuyendo al aumentar la temperatura, se tomara como referencia la temperatura promedio de variación del lugar que presenta la mayor variación de temperatura. (Cengel, 2008)
Al encontrar los esfuerzos a los que se vería sometida la ficha si se expone a este delta de temperatura, se determina que son cargas innecesarias que pueden perjudicar el correcto funcionamiento de la ficha, es necesario determinar el delta de longitud para el estado de esfuerzos de las longitudes de ajuste, entre ellas están las dimensiones de 0.01 metros, 0.04 metros, 0.065 metros y 0.13 metros que se podrán observar posteriormente en el diseño de la pieza.
Para la longitud de 0.01 metros:
Página 31 de 72 Para la longitud de 0.04 metros:
Para la longitud de 0.065 metros:
Para la longitud de 0.13 metros:
Buscando minimizar las cargas constrictivas, se calculan los cambios en las dimensiones de diseño que eliminan las cargas constrictivas en cada uno de los ajustes, así se podrá asegurar que al aplicar ajustes de esta magnitud la pieza está en la facultad de expandirse libremente sin restricción y no se generaran cargas internas por cambios de temperatura, si la pieza opera en cualquier lugar del territorio colombiano.
4.2 Selección del material
En el sector de la construcción se ha venido implementando una nueva forma de edificar viviendas con el uso de polímeros, que provee a la sociedad un beneficio entre las necesidades de construcción y la protección al medio ambiente. El uso de alguno de estos materiales en la ficha de construcción que se desea para viviendas de un piso, posee varias características que dan a la sociedad una forma de construcción más rápida, con menos desperdicios, más amigable con el medio ambiente y con una buena relación costo-beneficio.
El uso de polímeros en la construcción traen beneficios como la durabilidad y la resistencia a la corrosión, esto permite que el material este expuesto al exterior y no presente fallas, logrando permanecer por largos periodos de tiempo. Son materiales útiles para el aislamiento acústico y térmico, lo cual se analiza con el espesor en el diseño de la ficha. Por otra parte, estos materiales son muy ligeros, es decir, tienen bajas densidades, incluso inferiores a la del agua, lo cual facilita su transporte e
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instalación. El precio de estos materiales en el mercado colombiano es bajo, lo que ayuda a construir una casa a un precio razonable. Finalmente el uso de estos materiales poliméricos en la construcción es amigable con el medio ambiente ya que se caracterizan por poderse reciclar, reutilizar o transformar en otra fuente de energía.
Para seleccionar cual será el material del que se creara la ficha, se analizaran diferentes materiales poliméricos utilizados en este tipo de aplicación, se compararan sus características y se seleccionara finalmente aquel material que se considere el más apropiado para cumplir su función correctamente.
No obstante, este proyecto se enfoca inicialmente en el diseño de la ficha, el material seleccionado en este caso no garantiza que la ficha se cree de este material, ya que se está trabajando en realizar un compuesto con fibras bio poliméricas del cual aun no se tienen resultados. Por lo tanto, es necesario seleccionar un material opcional para realizar los cálculos y otro para la fabricación del prototipo; sin embargo con este material seleccionado se garantizará la correcta funcionalidad de la ficha.
4.2.1 Propósito
Se busca identificar el material para fabricar una ficha de construcción de viviendas, el cual sea capaz de soportar las cargas que se ve sometida una vivienda común de un solo piso, además de ser capaz de resistir un largo periodo de funcionamiento sin alterar su composición y ser capaz de resistir los cambios climáticos presentes en los diferentes lugares del territorio colombiano.
En la fabricación de viviendas se utiliza actualmente diferentes polímeros, por lo tanto es importante tener referencias de que el material seleccionado ya se esté utilizando para esta aplicación. Además es necesario determinar las características esenciales que diferencian este material y lo hacen más propicio que otros para construir viviendas seguras.
El material se utilizara para fabricar la ficha en su totalidad, es decir, toda la ficha estará compuesta únicamente de este material, las principales características y lo que se busca de ellas se listan a continuación:
El material debe ser reciclable: El uso de un material reciclable es esencial para la construcción sostenible, ayuda a evitar desperdicios en la construcción, que es un gran problema de la construcción convencional.
El material debe tener una baja densidad: La baja densidad del material ayuda a disminuir el peso del muro, lo cual es importante para la mano de obra y en caso de un accidente el impacto es menor.
El material debe tener un bajo coeficiente de expansión térmica: Este es uno de los puntos más importantes en la búsqueda del material, ya que la ficha va a sufrir cambios considerables de temperatura.
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El material debe tener un alto esfuerzo máximo de tensión: Como el material va a estar expuesto a unas cargas combinadas, resultado de diferentes fuerzas que afectan una vivienda, es necesario que el material soporte adecuadamente estas cargas y además se obtenga un factor de seguridad alto.
El material debe tener una alta temperatura máxima de servicio: El rango para que el material opere adecuadamente debe ser amplio, lo más importante es que la temperatura de servicio máxima del material este por encima de la temperatura máxima registrada en Colombia.
El material debe absorber muy poca humedad: Si el material está expuesto a un alto porcentaje de humedad relativa, este debe ser apto para no generar cargas de encogimiento por el porcentaje de humedad que sea absorbido.
El material debe ser inmune contra termitas, moho, hongos y corrosión: Como este es un problema típico de las viviendas situadas en diferentes climas, se debe garantizar que el material no sufra daños por incrustaciones o pérdidas por roedores.
El material debe ser buen aislante térmico y acústico: Para generar comodidad en una vivienda el nivel de ruido que ingresa a ella debe ser mínimo y la temperatura del exterior debe afectar lo menos posible la temperatura deseada en el interior.
Teniendo en cuenta las características presentadas anteriormente se presentan algunos materiales que pueden ser útiles para la fabricación de estas fichas, sin embargo algunas características de ellos, los hacen más o menos propicios para esta aplicación, lo cual requiere un análisis a fondo de las características de cada uno para determinar cuál es el más conveniente.
ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno) PP (Polipropileno)
HDPE (Polietileno de alta densidad) LDPE (Polietileno de baja densidad) PS (Poliestireno)
PVC (Policloruro de vinilo)
Al tener en cuenta las características que se buscan para esta aplicación, se realiza el análisis de los polímeros seleccionados para definir el material del que debe estar compuesta la pieza.
4.2.2 Definir el material
Se realizo un cuadro comparativo de los diferentes materiales plásticos con sus características para poder determinar cuál será el material más apropiado para la fabricación de la pieza de construcción, las características fueron seleccionadas para determinar los aspectos más influyentes sobre el contexto que se desea para la utilización del material.
[Ver Anexo: Cuadro de materiales] En el cuadro de materiales se puede observar las diferentes propiedades de cada uno y cuáles de ellos son sobresalientes en cada una de ellas.
