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Tipo: Tesis
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En el presente estudio, se propone un nuevo sistema de construcción semi-fabricado, el cual se denominó Ferro-prefab. Este es un sistema híbrido de ferrocemento y estructura metálica que puede usarse para la construcción de edificios y consiste en elementos modulares de tipo C para muros, y ferrocemento soportado por una estructura metálica para la cubierta. El mortero auto-compactable fue usado para fabricar muros y contenedores de huevo como material aislante. Se evaluaron las propiedades del mortero en estado fresco y endurecido, y se determinó la conductividad térmica de especimenes multi-compuestos que simularon muros y cubiertas usando el método del estado térmico estable, de acuerdo a la norma NMX-C-181-1984. Se revisó la integridad estructural del edificio usando el método de análisis sísmico simplificado recomendado por las normas mexicanas y el reglamento de construcción de Oaxaca. Finalmente, se construyó un prototipo de tamaño real, denominado Sala de Juntas-Aula, usando el sistema Ferro-prefab y el costo de la construcción se comparó con aquel de un sistema de construcción tradicional a base de ladrillo y concreto reforzado. Los valores de extensibilidad obtenidos en los morteros estuvieron comprendidos en el rango de 63 y 68 cm, indicando que el producto final puede ser considerado como un mortero auto- compactable. Las pruebas llevadas a cabo en cubos de 5x5 cm muestran una resistencia a la compresión de 34.5 MPa a los 28 días. Tal resistencia es adecuada tanto para el diseño de elementos delgados, como para su aplicación en zonas sísmicas. Los resultados de las pruebas de conductividad térmica muestran que con los materiales propuestos se logra una reducción de 54% y 86% en muros y cubiertas respectivamente, esto es, cuando se comparan con muros de mampostería y cubierta de concreto reforzado. Finalmente, el análisis comparativo de costos muestra que usando el nuevo sistema de construcción semi- fabricado se logra un ahorro económico del 18%.
In the present study, a new semi-prefabricated construction system denominated Ferro- prefab is proposed. It is a hybrid system of ferrocement and metal structure which can be used for building construction and consists of modular type C elements for walls, and ferrocement supported by metal structure for the roof. Self-leveling mortar was used to fabricate the walls and egg containers as a thermal insulating material. The properties of the mortar in both fresh and hardened state were evaluated, and the thermal conductivity of multi-layered specimens simulating walls and roof were determined by using the thermal steady- state method, according to the NMX-C-181-1984 standard. The structural integrity of the building was revised by using the simplified seismic analysis method recommended by the Mexican standards and the local construction code. Finally, a full-size prototype, denominated Sala de Juntas-Aula, was built using Ferro-prefab and the construction cost was compared to that of the traditional brick and reinforced concrete construction system. Extensibility values of mortars obtained ranged between 63 and 68 cm, indicating that they can be considered as a self-leveling mortar. Compressive tests carried out on cubes show a 28 day compressive strength of 34.5 MPa. Such strength is suitable for the design thin elements and can also be used for seismic applications. Thermal conductivity test results show reductions of 54% and 86% when the proposed materials for walls and roof respectively are compared to the traditional mortar and brick and reinforced concrete. Finally, the cost evaluation reveals that by using the new semi-prefabricated construction system savings of up to 18% can be achieved.
Agradezco a:
Agradezco al Instituto Politécnico Nacional por otorgarme el apoyo económico durante el primer semestre de estudios de maestría. Agradezco al CONACyT por el apoyo económico que me otorgó para la realización de mis estudios de maestría. Agradezco al Programa Institucional de Formación de Investigadores por la beca que me otorgó por la participación en los proyectos de investigación_ “Una construcción experimental que utilice poca mano de obra y resiste temblores y vientos huracanados” , clave CGPI 20040352 y CGPI 20050429 y “ Estudio de las propiedades termofísicas de materiales naturales y reciclados para su aplicación como aislante térmico en viviendas de bajo costo ” Claves SIP:
Agradezco la Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral regional- IPN, Unidad Oaxaca por permitirme cursar mis estudios de maestría en el programa que ahí se imparte.
- Relación de tablas - Relación de figuras
El surgimiento y proliferación de asentamientos irregulares alrededor de las grandes ciudades, ha propiciado el crecimiento desordenado de los centros urbanos, aumentando cada día los rezagos en infraestructura urbana y de servicios. En las últimas décadas, se han desarrollado sistemas constructivos para mitigar este problema; sin embargo, los elevados costos de los materiales y procedimientos constructivos, han favorecido a que hoy en día no se cuente con la infraestructura necesaria para satisfacer las necesidades actúales. Lo anterior obliga la búsqueda de nuevos materiales y sistemas constructivos económicos y fáciles de aplicar.
El ferrocemento es un material que se desarrolló en 1848 por Louis Lambot, hoy en día es considerado un material versátil para la construcción de edificaciones de bajo costo, esto debido a la reducción en la cantidad de materiales empleados bajo éste sistema constructivo (Wainshtok, 1994; Mathews y col., 1994). También el ferrocemento es considerado un material altamente resistente a esfuerzos mecánicos (resistencia a la compresión, tensión, agrietamiento y flexión). En palabras de Nervi, quien fue el primero en utilizar el término ferrocemento, su principal característica de gran elasticidad y resistencia al agrietamiento, dada por el mortero y la gran cantidad y distribución del acero de refuerzo utilizado en él (Nervi, 1956).
Por otra parte, el ferrocemento es considerado un material apropiado para su aplicación en regiones sísmicas, esto debido principalmente al reducido peso de los edificios dado por el pequeño espesor de los elementos estructurales y también porque permite una construcción monolítica (Fernández y Cano, 2001). Sin embargo, el reducido espesor del ferrocemento (2.5 cm), tiene desventaja al presentar escasa resistencia al flujo de calor y frío del exterior, ocasionando la falta de confort térmico en las edificaciones. Esto favorece el desarrollo de enfermedades tales como: resfriados, hipotermia e hipertermia, que afectan principalmente a niños y ancianos (Martínez, 2003). Existen medios eficientes para lograr el confort térmico en edificaciones, uno de ellos es el medio mecánico, utilizado ampliamente en la arquitectura moderna, el cual ha ocasionado un intensivo consumo de energía. Por
otro lado, se pueden lograr mejores condiciones de confort térmico, mediante el uso de materiales aislantes existentes en el mercado, tales como: poliuretano, poliestireno, fibra de vidrio, corcho y otros. Sin embargo, éstos son altamente contaminantes desde su proceso de producción y posterior eliminación (Papadopoulos, 2004), además de ser costosos. Por tanto, el objetivo principal de éste trabajo es “Diseñar un sistema constructivo con perfiles de acero y elementos prefabricados de ferrocemento para la construcción de edificios públicos y viviendas seguras, térmicamente confortable y de bajo costo.”.
Este trabajo de investigación se desarrolla en 6 capítulos. El primer capítulo corresponde al planteamiento de la investigación. En el capítulo 2, se describe el marco teórico y conceptual que sustenta a este trabajo de investigación. En el capítulo 3, se presenta brevemente la metodología utilizada para llevar acabo esta investigación. En el capítulo 4, se diseña el sistema constructivo a base de muros de ferrocemento prefabricado y cubiertas del mismo material soportada por estructuras metálicas. También se realiza la revisión estructural por sismo, además se diseña una mezcla de mortero auto-compactable, se le realizan pruebas en estado fresco y en estado endurecido. En el capítulo 5, se determinan las conductividades térmicas de muros y cubiertas de ferrocemento aisladas térmicamente con DSU (conos de huevo), y se realiza una comparación de los datos obtenidos con aquellos materiales utilizados comúnmente en la región para la construcción de muros y cubiertas. En el capítulo 6 se describe el proceso constructivo de una sala de juntas-aula. Al mismo tiempo, se realiza un presupuesto de obra con los costos reales de construcción y se comparan con aquellos costos de un sistema de construcción tradicional; de esta manera, se determinó la ventaja económica ofrecida por el sistema constructivo Ferro-prefab. Al final de los capítulos 4, 5, y 6 se pueden leer la discusión de resultados, y al finalizar el capítulo 6 se presenta un resumen de los mismos. Por último, el lector podrá examinar las conclusiones y recomendaciones de esta investigación que se encuentran inmediatamente después del resumen de resultados.
El crecimiento acelerado de las ciudades actuales, ha permitido que prolifere un sinfín de sistemas constructivos. Al mismo tiempo, los avances tecnológicos en todos los órdenes, exigen cada día construcciones de más complejidad y con mayores requerimientos dimensionales, además de una construcción acelerada. Exigencias que no son posibles de lograr con el nivel de desarrollo de la técnica de construcción de los elementos in situ (sistema de construcción tradicional a base de ladrillo y concreto armado).
Según Capote (1996) el método tradicional de construcción in situ, tiene la gran desventaja de la dependencia lineal en su proceso de construcción. A la ejecución de las cimentaciones le sigue la construcción de cadenas de desplante, muros, castillos, cadenas de cerramiento, columnas y trabes, y en seguida la construcción de la cubierta, de tal forma, que no es posible realizar simultáneamente las distintas tareas que componen dichas construcciones.
Sumado a este rígido principio de organización de obra, existen factores tales como el uso intensivo del acero y cemento, base fundamental del sistema de construcción tradicional, que aumenta no solamente el costo de construcción; sino también provoca un desequilibrio ecológico por la alta cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera en su proceso de su fabricación. De acuerdo a Malhotra y Mehta (2002) para la producción de cada tonelada de cemento se emite al medio ambiente aproximadamente una tonelada de dióxido de carbono y se consume aproximadamente 4 GJ de energía.
Otros factores que afectan de igual manera al sobre-costo en la edificación bajo el sistema tradicional es la escasez y la sobre explotación de los bancos de arena y grava, ocasionando además impactos sobre el medio ambiente, tales como erosión de suelos y pérdida de áreas naturales y/o deterioro del paisaje. Esto ocurre debido a la gran cantidad de estos materiales utilizados para la fabricación del concreto, pues de acuerdo a Concrete Basics (2002), los agregados ocupan entre un 65% a un 80%
de todo el volumen de concreto; sin embargo el consumo de estos materiales no se puede detener debido .a la gran demanda de infraestructura requerida en el país.
En la búsqueda de nuevos sistemas de construcción que permitan obtener mayores ventajas que el sistema de construcción tradicional, se retomó el uso del ferrocemento como material de construcción desde la década de los 40’s. El uso del ferrocemento ha favorecido la reducción de los costos de construcción, esto como consecuencia de la reducción en el espesor de los muros y cubiertas. Esta misma reducción de los elementos de construcción permite minimizar el uso de materiales tales como el acero y el cemento, la grava y la arena. Sin embargo; al utilizar espesores delgados (2.5 a 5 cm) afecta directamente al confort térmico, pues presenta escasa resistencia al flujo de calor y frío.
Hoy en día el acondicionamiento climático de espacios y edificios, es uno de los factores más relevantes que contribuyen al incremento de la demanda energética por parte de la sociedad actual. Martínez (2005) declara que la industria de la construcción consume el 40% de los recursos y energía mundial, la mitad de la energía que se usa en los edificios se gasta en calefacción, refrigeración, ventilación e iluminación, esto se debe al manejo inadecuado de los materiales y sistemas de construcción actuales.
Lo anterior ha llevado a que se realicen estudios para aislar las habitaciones y lograr mejores condiciones de confort dentro de las mismas, de acuerdo a Desjarlais (2002) una vivienda unifamiliar bien aislada puede ahorrar un 50% en gastos de calefacción. Sin embargo, se debe de tomar con reserva esta información, pues este estudio se realizó en un clima donde las condiciones climáticas son extremas.
Otro estudio sobre el tema tratado en el párrafo anterior realizado por Bojorquez y col. (2003), demuestra que con un sistema alternativo de construcción, con materiales adecuados se puede lograr la reducción de gasto energético en la
de soportar las cargas inmediatamente después de su colocación, permite que los trabajos puedan continuarse sin interrupción" (Rosmalen, 1984).
En la década los 60’s la prefabricación tuvo su mayor impulso con la creación de un nuevo estilo arquitectónico y universal denominado, Prefabismo o prefab style en inglés (Salamanca, 1997) que por sí mismo, evoca y sugiere la idea de prefabricación, madre del estilo. Este estilo difiere del estilo tradicional por las siguientes características: 1.- Una modulación arquitectónica unida a una prefabricación industrial. 2.- Rapidez de ejecución (por primera vez en la historia, la velocidad constructiva es una variable clave en un estilo). 3.- Exactitud (la posibilidad de error es mínima en esta arquitectura. Tanto las mediciones como los costos finales son muy aproximados al de los proyectos. Aquí no se improvisa nada; el proceso constructivo se cumple con asombrosa exactitud en presupuesto, en calidades y en plazos. La intervención del hombre a pie de obra es mínima, en vez de trabajar en la intemperie lo hace en una fábrica aumentando la seguridad personal). 4.- Repetición sistemática de elementos iguales. 5.- Aparición de elementos estructurales en las fachadas.
Salamanca (1997) también comenta que al utilizar el prefabismo en la construcción, no se pierde ni perderá la libertad de creación, aún cuando el constructor dice que tiene las manos atadas y sin poder utilizar otro sistema constructivo más que el que domina; menciona que no son las manos las que están atadas, sino la imaginación es la que tiene enjaulada. Finalmente sugiere que los grandes arquitectos del futuro no serán los que hagan las viviendas más bellas sino los que proyecten las máquinas para fabricar las viviendas más bellas.
Lo que hoy se presenta como prefabismo parece ser una utopía; sin embargo, basta recordar lo que Le Corbusier dijo en el siglo pasado: es conveniente saber que la
utopía no es más que la realidad del mañana y que la realidad de hoy fue la utopía del ayer.
En México, las nuevas técnicas se empezaron a utilizar en 1927, con el empleo de vigas prefabricadas de concreto armado en la construcción del hotel Regis en la ciudad de México. De esa fecha a la actualidad, la prefabricación se fue consolidando poco a poco; en un inicio las técnicas eran copiadas de otros países, pero con el tiempo empezaron a surgir empresas especializadas en prefabricación. Esta consolidación ocurrió en los años sesenta y principios de los setenta (Martínez, 1998).
El progreso tecnológico es sin duda, un factor importante en el avance de la construcción industrializada, pero no el único, ya que éste tiene también una relación directa con aspectos socioeconómicos, científicos, culturales e ideológicos. En los países en desarrollo como México, los problemas económicos constantes, el alto índice de desempleo, la desigualdad en la distribución de la riqueza, la fuerte dependencia económica y técnica del exterior, y la falta de mano de obra especializada, aparecen como algunas de las causas que han frenado el desarrollo de esta industria. El resultado es que en la década de los 90’s, sólo 2% de lo que se construía en México se realizaba con prefabricados, mientras que en Europa, este tipo de construcción llegó casi a 50% (Martínez, 1998). Sin embargo; en los últimos años se ha tenido un ligero repunte y se puede decir que la prefabricación puede representar un 15% del total de la edificación (Ramírez y Valdez, 2006).
El ferrocemento es un término usado para describir un tipo de concreto armado, que difiere del concreto reforzado convencional o concreto presforzado, primeramente, por la manera en la cual los elementos de refuerzo están dispersos y arreglados. El acero en el ferrocemento está formado por varias capas de alambre de diámetro pequeño y continuo. El ferrocemento puede estar formado por paneles delgados o