APLICACIÓN DE NUEVOS MATERIALES A SOLUCIONES DE

VIVIENDA EN COLOMBIA

Viabilidad para generar sistemas constructivos

ARQUITECTO ANDRÉS FELIPE PÉREZ MARÍN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE ARTES

ESCUELA DE ARQUITECTURA Y URBANISMO MAESTRÍA EN CONSTRUCCIÓN

BOGOTÁ, D.C. 2005

APLICACIÓN DE NUEVOS MATERIALES A SOLUCIONES DE VIVIENDA EN COLOMBIA

Viabilidad para generar sistemas constructivos

ARQUITECTO ANDRÉS FELIPE PÉREZ MARÍN Código 396116

Documento de tesis para optar al titulo de Magíster en Construcción

Directora CAORI PATRICIA TAKEUCHI TAM

Mg. Ingeniera Universidad Nacional de Colombia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE ARTES

ESCUELA DE ARQUITECTURA Y URBANISMO MAESTRÍA EN CONSTRUCCIÓN

BOGOTÁ, D.C. 2005

Nota de aceptación

ACEPTABLE

CAORI PATRICIA TAKEUCHI TAM

Presidente del jurado

ARTURO ROBLEDO OCAMPO

Jurado

MARCO CARRERA ALEGRE

Jurado

Bogotá, D.C., 29 de Julio de 2005

DEDICATORIA PERO SUCEDIÓ QUE EL PRINCIPITO, HABIENDO ATRAVESADO ARENAS, ROCAS Y NIEVES, DESCUBRIÓ FINALMENTE UN CAMINO. Y LOS CAMINOS LLEVAN SIEMPRE A LA MORADA DE LOS HOMBRES.

ANTONIE DE SAINT-EXUPÉRY, EL PRINCIPITO No solo a quienes son participes de este logro, sino ha aquellos que día a día me enseñan que este difícil arte de la arquitectura es mas que ciencia, tecnología y diseño, a quienes entendieron que la arquitectura es pasión, terquedad y entrega, y a todos aquellos que ven futuro en la arquitectura mas allá de la tradición.

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AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a: Caori Patricia Takeuchi Tam, Mg. Ingeniera Civil y Directora de la Investigación, por sus valiosas orientaciones, paciencia y dedicación. Luis Alfonso Pérez Orozco, Arquitecto y Coordinador de la Maestría en Construcción, por su constante motivación. Arturo Robledo Ocampo, Arquitecto; Marco Carrera Alegre, Ligia Vélez Moreno, Ingenieros y Jurados, por sus aportes y dedicación a la lectura del presente documento. Camilo Alberto Villegas, Ingeniero y Coordinador de la Sala Cad en la Maestría de Materiales y Procesos en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, por su apoyo y colaboración en el modelamiento matemático. Samael Arias, Arquitecto de la Universidad Nacional de Colombia, por su apoyo y colaboración en el modelamiento en 3D. Jorge Zambrano, Ingeniero y Director de la División de Auditoria Técnica de Sika Andina S.A., quien al facilitar los materiales hizo posible la realización de las pruebas técnicas. Royalco de Colombia, SpeedCo Construcciones Inteligentes y Metecno de Colombia, por facilitar los datos estructurales de sus sistemas constructivos para el análisis comparativo del proyecto de investigación.

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CONTENIDO

0. RESUMEN ....................................................................................................... 15 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 17 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................. 19 3. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA ................................................................... 21 4. JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. 23 5. OBJETIVOS ..................................................................................................... 26

5.1 Objetivo Horizonte ...................................................................................... 26 5.2 Objetivo General......................................................................................... 26 5.3 Objetivos Específicos ................................................................................. 26

6. MARCO TEÓRICO........................................................................................... 27 6.1 Los Nuevos Materiales ............................................................................... 27 6.2 Sistemas No Convencionales ..................................................................... 29 6.3 La Vivienda ................................................................................................. 30

6.3.1 Arquitectura y sostenibilidad ................................................................ 30 6.3.2 Arquitectura ecológica: teoría y práctica .............................................. 31 6.3.3 Arquitectura y cultura .......................................................................... 31

7. NUEVOS MATERIALES................................................................................... 33 7.1 Introducción ................................................................................................ 33 7.2 Empleo de Los Nuevos Materiales en la Construcción............................... 35 7.3 Nuevos Materiales, Los Más Representativos............................................ 36

7.3.1 Clasificación para los nuevos materiales ............................................. 37 7.4 Comportamiento de Los Nuevos Materiales ............................................... 38

7.4.1 Introducción.......................................................................................... 38 7.4.2 Procesos de fabricación ....................................................................... 39 7.4.3 Diseño estructural con nuevos materiales............................................ 40

7.4.3.1 Materiales emergentes ................................................................... 41 8. PLANTEAMIENTO DEL MATERIAL ................................................................ 45

8.1 Definición de los Materiales ........................................................................ 45 8.1.1 Materiales compuestos - Clasificación ................................................. 46

8.2 Materiales compuestos - Materias Primas empleadas en la presente investigación...................................................................................................... 47

8.2.1 Fibras .................................................................................................... 47 8.2.1.1 Fibras de carbono........................................................................... 47 8.2.1.2 Fibras de vidrio ............................................................................... 48

8.2.2 Matrices................................................................................................ 49 8.2.2.1 Matrices de epóxi........................................................................... 50 8.2.2.2 Matrices de poliéster...................................................................... 50

8.2.3 Núcleos ................................................................................................ 51

8.3 Modo de Empleo de Los Materiales Compuestos ...................................... 53 8.3.1 Laminados............................................................................................. 53

8.3.1.1 La lámina y el laminado .................................................................. 53 8.3.1.2 El laminado..................................................................................... 54

8.3.2 Estructuras tipo sándwich ..................................................................... 55 8.4 Caracterización del Material ....................................................................... 56

8.4.1 Proceso de caracterización ................................................................... 56 8.4.1.1 Material compuesto laminado........................................................ 56 8.4.1.2 Malla (material compuesto) ........................................................... 57 8.4.1.3 Análisis de resultados (material compuesto laminado).................. 58 8.4.1.4 Búsqueda del laminado base ........................................................ 58 8.4.1.5 Búsqueda del laminado para las zonas restantes ......................... 59 8.4.1.6 Solución final ................................................................................. 59

8.4.2 Materiales empleados ........................................................................... 60 8.4.2.1 Los laminados................................................................................ 60

8.4.2.1.1 Las fibras.................................................................................. 60 8.4.2.1.1.1 Características de las fibras empleadas............................ 61

8.4.2.1.2 Características de las matrices empleadas.............................. 63 8.4.2.1.3 Características del núcleo empleado ....................................... 64

9. PROPUESTA ARQUITECTÓNICA Y DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA DE ACUERDO A LAS EXIGENCIAS DE LA NSR-98 ................................................. 66

9.1 Modelo Arquitectónico ................................................................................. 66 9.1.1 Elementos constitutivos......................................................................... 69

9.2 Cálculo y Predimensionamiento ................................................................. 70 9.2.1 Paneles tipo sándwich........................................................................... 70

9.2.1.1 Proceso de cálculo ........................................................................ 70 9.2.1.1.1 Cálculo de la flecha permisible................................................ 70 9.2.1.1.2. Cálculo de pesos: panel y conectores..................................... 71

9.2.1.1.2.1 Cálculo del peso total ....................................................... 74 9.2.1.1.2.2 Cálculo del peso por m2................................................... 76

9.2.1.1.3. Fuerzas de viento.................................................................... 77 9.2.1.1.4 Fuerzas totales........................................................................ 79

9.2.2 Elementos pultruidos............................................................................ 81 9.3 Análisis de la fuerza sísmica....................................................................... 82

9.3.1 Análisis por el método de la Fuerza Horizontal Equivalente (FHE)...... 83 9.4 Planteamiento de los modelos.................................................................... 84

9.4.1 Objetivo ................................................................................................ 84 9.4.3 Planteamiento del análisis.................................................................... 85

9.4.3.1 Análisis DAC................................................................................... 85 9.4.3.1.1 Análisis comparativo ................................................................ 88

9.4.3.2 Análisis ANSYS (Bidimensional).................................................... 90 9.4.3.2.1 Alternativas 1 - 2 (Conector + tercio de panel) ......................... 91

9.4.3.2.1.1 Análisis comparativo......................................................... 93

9.4.3.3 Análisis ANSYS (Laminas) ............................................................ 94 9.4.3.3.1 Alternativas 1 - 2 (Panel completo + cargas combinadas) ....... 95

9.4.3.3.1.1 Análisis comparativo.......................................................... 96 9.4.3.3.2 Alternativas 1 - 2 (Panel completo + conectores).................... 98

9.4.3.3.2.1 Análisis comparativo.......................................................... 99 9.5 Análisis de los modelos ............................................................................ 101

9.5.1 Conclusiones específicas................................................................... 103 9.5.1.1 Análisis modelos DAC ................................................................. 103

9.5.1.1.1 Desviación (Flecha) .............................................................. 103 9.5.1.1.2 Coeficiente de seguridad ...................................................... 104 9.5.1.1.3 Esfuerzos en el plano............................................................ 104 9.5.1.1.4 Esfuerzos interlaminares....................................................... 105 9.5.1.1.5 Variación por altura ............................................................... 105

9.5.1.2 Análisis modelos ANSYS............................................................. 108 9.5.1.2.1 Comparativo modelos 1 y 3.................................................... 108

9.5.1.2.1.1 Valores obtenidos........................................................... 109 9.5.1.3 Análisis comparativo.................................................................... 111

9.5.1.3.1 Sistema ROYALCO............................................................... 111 9.5.1.3.2 Sistema SPEEDCO............................................................... 113 9.5.1.3.3 Sistema METECNO .............................................................. 114

10. ENSAYOS DE LABORATORIO ................................................................... 115 11. RELACIÓN COSTO-BENEFICIO................................................................. 125

11.1 El uso y la construcción del espacio en la vivienda ................................. 125 11.1.1 Vivienda industrializada: una hipótesis de desarrollo. Relación costo

beneficio....................................................................................................... 125 11.1.2 Evaluación de las alternativas ....................................................... 127

12. CONCLUSIONES......................................................................................... 128 13. ANEXOS ...................................................................................................... 129

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LISTA DE TABLAS Tabla 1. Fibra de carbono + Epóxi, Ref. EXCEL AS4/3502 ................................. 61 Tabla 2. Fibra de vidrio + Poliéster, Ref. HEX 100G ............................................ 62 Tabla 3. Peso total alternativa 1. Fibra de Carbono + Epóxi y núcleo PUR_40 ... 74 Tabla 4. Peso total alternativa 2. Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo PUR_40 ... 75 Tabla 5. Análisis de la Fuerza Horizontal Equivalente ......................................... 83 Tabla 6. Análisis comparativo Modelos 1 y 3 DAC............................................... 88 Tabla 7. Análisis comparativo Modelos 2 y 4 DAC............................................... 89 Tabla 8. Análisis comparativo Modelos 1 y 3 ANSYS .......................................... 93 Tabla 9. Análisis comparativo Paneles 1 y 2 ANSYS........................................... 97 Tabla 10. Análisis comparativo Paneles 1 y 2 + Conectores ANSYS ................ 100

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LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Sectores de aplicación de los materiales compuestos.................... 33 Ilustración 2. Familias de materiales .................................................................... 42 Ilustración 3. Puente sobre el estrecho de Gibraltar. Anteproyecto Ilustración 4. Nanotubo de Carbono (Cx) ............................................................. 42 Ilustración 5. Vivienda del futuro .......................................................................... 43 Ilustración 6. Fibra de Carbono ............................................................................ 47 Ilustración 7. Producción de la Fibra de Vidrio ..................................................... 48 Ilustración 8. Ejemplo de nomenclatura para la Fibra de Vidrio ........................... 49 Ilustración 9. Resina epóxi ................................................................................... 50 Ilustración 10. Resina de poliéster ....................................................................... 50 Ilustración 11. Núcleos para Paneles tipo Sándwich............................................ 52 Ilustración 12. Planta arquitectónica del modulo de vivienda propuesto .............. 68 Ilustración 13. Panel compuesto - Dimensiones................................................... 70 Ilustración 14. Panel del pre-procesador programa DAC ..................................... 86 Ilustración 15. Vista de Planta modelo 1 (sección de panel - L/3 - y conector) .... 92 Ilustración 16. Condiciones estáticas del panel.................................................... 95 Ilustración 17. Condiciones de mallado y cargas en el panel ............................... 96 Ilustración 18. Condiciones de carga y apoyos en el panel.................................. 99

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LISTA DE ANEXOS

ANEXO 1. Nuevos materiales, los más representativos - plásticos................. 129 ANEXO 2. Procesos de fabricación ................................................................. 136 ANEXO 3. Fibras, Matrices y Núcleo............................................................... 147 ANEXO 4. Criterios de fallo ............................................................................. 160 ANEXO 5. Estática - Conceptos generales ..................................................... 167 ANEXO 6. Decreto 2060 - Proyecto Arquitectónico......................................... 174 ANEXO 7. Titulo B, NSR-98 - Análisis de viento, Metodo completo ................ 177 ANEXO 8. Titulo A, NSR-98 - Método de la Fuerza Horizontal Equivalente.... 183 ANEXO 9. Modelos DAC ................................................................................. 186 ANEXO 10. Módulos de diseño ANSYS .......................................................... 214 ANEXO 11. Modelos ANSYS .......................................................................... 222 ANEXO 12. Nuevos materiales en otros sistemas de vivienda en Colombia . 241 ANEXO 13. Normas sobre ensayos ................................................................ 278 ANEXO 14. Bibliografía ................................................................................... 286

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GLOSARIO Compuesto: Los materiales compuestos constan de una mezcla de resina termoendurecible como el poliéster o el epóxi y de un refuerzo a base de fibra de vidrio, de fibra de carbono, tela u otras materias. Para este caso, se hace referencia a materiales compuestos de matriz polimérica ya que existen materiales compuestos que pueden estar formados por fases diferentes de las dadas en la presente definición (aceros, materiales cerámicos, etc.). Las principales ventajas de este tipo de materiales son su ligereza (aprox. 25% menos que el acero), gran resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, baja conductividad térmica, etc. Deformación elástica: La mayor deformación que un material es capaz de soportar sin que sea permanente después de retirar la carga. Deformación plástica: Deformación en el material que no se recupera después de desaparecer la carga. Delaminación: Tipo de fallo típico de los materiales compuestos laminados consistente, por lo general, en la separación de láminas debido a la superación de las tensiones interlaminares máximas soportadas por el material o bien a la aparición de fenómenos de “borde libre”. El PET: (politereftalato de etileno) es un plástico del grupo de los poliésteres. Se produce a partir de petróleo o de gas natural. El PET es ligero, irrompible y reciclable a 100%. Elaboración de capas: Proceso que forma parte en diversos métodos de fabricación de materiales compuestos laminados consistente en el apilamiento de láminas de fibras de refuerzo en diversas configuraciones (mat, tejido, etc) embebidas en una matriz generalmente de tipo polimérico (resinas epoxi, poliéster, viniléster, etc). Con esto, se consiguen estructuras con diferentes espesores y número de capas en función de los requerimientos estructurales del conjunto.

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Epóxi: Tipo de resina termoestable utilizada comúnmente como matriz en materiales compuestos de tipo polimérico. Aunque inicialmente se encuentra en estado líquido (debido a los aditivos que tiene en su composición química) solidifica al ser sometido al endurecimiento térmico, endurecimiento por luz ultravioleta, o al ser mezclado con otro material. Extrusión: Procedimiento de transformación en modo continuo, la extrusión consiste en utilizar plástico con forma de polvo o granulados, introducido dentro de un cilindro calentador antes de ser empujado por un tornillo sin fin. Una vez reblandecida y comprimida, la materia pasa a través de una boquilla que va a darle la forma deseada. La extrusión es utilizada en particular en la fabricación de productos de gran longitud como canalizaciones, cables, enrejados y perfiles. Fibra: Un termino general utilizado para referirse a los materiales filamentarios. A menudo, fibra es utilizado como sinónimo de filamento. Se trata de un término general para definir un filamento con una longitud finita, la cual es al menos 100 veces mayor que el diámetro, siendo típicamente 0.1 a 0.13 mm. En la mayoría de los casos se construye por medio de centrifugación, deposición en un substrato o baño. Las fibras pueden ser continuas o poseer longitudes pequeñas (discontinuas), normalmente no menores que 3.2 mm. Filamento: La unidad más pequeña de un material fibroso. Las unidades basicas formadas por centrifugado o marcado, las cuales son agrupadas en fibras cortas o largas para su utilización como refuerzos en materiales compuestos. Los filamentos poseen generalmente un diámetro muy pequeño, normalmente menor a 25 mm. Normalmente, los filamentos son utilizados individualmente. Gel Coat: Es un recubrimiento o una capa de resina cuya función es brindar a la superficie expuesta una protección contra el medio. Adicional a esta protección algunas veces esta capa viene con pigmentos para darle un mejor acabado. Generalmente a esta resina no se le adiciona refuerzo, es decir no contiene tejidos de fibra. Existen varios tipos de gel coat: isoftálico, ortoftalico, con carga metálica, con resistencia química, etc. Inyección RTM (Resin Transfer Moulding): Tecnología denominada de moldeado por transferencia de resina o RTM. Se desarrolla inicialmente para el poliuretano. Posteriormente se aplica a matrices termoestables. La resina se inyecta bajo presión en la preforma que esta depositada entre molde y contramolde. Mat: Configuración particular, en donde las fibras en la lámina están desordenadas en la superficie o plano de a misma, confiriendo en todas las direcciones del plano las mismas propiedades del compuesto.

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Matriz: Constituye una de las fases de los materiales compuestos reforzados. Suponen el elemento de unión entre la otra fase (refuerzos) y dan forma y consistencia al conjunto. En este trabajo se han considerado como matrices resinas termoestables de diversos tipos reforzadas con diferentes tipos de fibra de refuerzo. Mecha: Conjunto de filamentos de fibra de refuerzo (entre 5.000 y 12.000 filamentos por mecha) y que pueden retorcerse en hilos formando tejidos. Plásticos: Los plásticos son materiales orgánicos poliméricos, unos naturales como el caucho y la cera y la mayoría artificiales o sintéticos que tienen la propiedad de adaptarse a distintas formas como el laminado o el hilado. Poliéster: Las resinas de poliéster constituyen una categoría de resinas sintéticas obtenidas a partir de una gran variedad de materias primas. Su robustez, su flexibilidad y su rigidez, pueden ser modificadas por la adición de refuerzos (fibras de vidrio o carbono). Poliuretanos: Los poliuretanos son polímeros obtenidos por adición de isocianatos (agentes químicos caracterizados por átomos de nitrógeno (N) y de oxígeno (O) ligados a un átomo de carbono (C)) y polioles (polímero que contiene varias funciones alcohol -OH). Aparecieron en el mercado en 1941. Al presentarse con la forma de un material tanto rígido como flexible, permiten múltiples aplicaciones. Pultrusión: Este procedimiento permite producir de manera continua un perfil rígido cuya longitud no esta limitada, consiste en hacer pasar fibras impregnadas de resina dentro de una boquilla caliente. Roving: Hilos continuos formando una hebra principalmente utilizada en la técnica de enrollamiento filamentario. Sándwich: Material compuesto por dos capas (o pieles) muy rígidas y de reducido espesor que envuelven un alma de gran espesor y de poca resistencia. El conjunto forma una estructura de una gran ligereza y aporte estructural.

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0. RESUMEN

APLICACIÓN DE NUEVOS MATERIALES A SOLUCIONES DE VIVIENDA EN COLOMBIA

Nuestro tiempo se distingue de las grandes épocas arquitectónicas de la historia primordialmente por la existencia concurrente de muchas tendencias parcialmente opuestas. No es fácil, ni para el experto bien informado, orientarse en este caos aparente. La situación es tanto más difícil para el estudiante o para el aficionado interesado en estos temas.1 El presente trabajo de investigación tiene como objetivo aportar elementos que caractericen algunos nuevos materiales (materiales compuestos)2 para así generar sistemas constructivos que empleando una adecuada relación costo-beneficio, permitan generar soluciones de vivienda en Colombia cuya construcción, a partir de sistemas no convencionales, disminuya las dificultades que en la actualidad generan los procesos constructivos tradicionales. Caracterizados los materiales y los elementos constitutivos del sistema se limitara el diseño a un modelo de vivienda básica localizado en zona de amenaza sísmica intermedia, de acuerdo a la clasificación de la NSR-983, con énfasis en la ciudad de Bogotá. Descriptores: Materiales compuestos, fibras, matrices, vivienda, modelamiento por elementos finitos.

1 CEJKA Jan. Tendenzen zeitgenössischer Architektur, 1ª ed., Stuttgart: W. Kohlhammer GMBH, 1993, pág. 7. (Versión castellana: Tendencias de la arquitectura contemporánea, 2ª ed., Barcelona: Editorial Gustavo Gili, S.A., 1995, Pág. 7.) 2 Ver definición, Capitulo 7 3 AIS, Asociación Colombina de Ingeniería Sísmica. NSR-98, Normas colombianas de diseño y construcción sismo resistente, Ley 400 de 1997, Decreto 33 de 1998, 2ª ed., Bogotá: [s.e], 1998, Pág. A21.

APPLICATION OF NEW MATERIALS To SOLUTIONS OF HOUSE IN COLOMBIA

Abstract: Ours time is distinguished fundamentally of the great architectonic times of history by the concurrent existence of many tendencies partially opposed. It is easy, neither for the expert or informed, to orient itself in this apparent chaos. The situation is as much more difficult for one as student or the fan interested in these subjects. [1] Present work of investigation must by objective contribute elements that characterize some new materials (composed materials)[2] thus to generate systems constructive that using a suitable relation cost-benefit, allows to generate house solutions in Colombia whose construction, from non conventional systems, diminishes the difficulties that at the present time generate constructive the processes traditional. Characterized the materials and the constituent elements of the system the design of the models will be limited zones of intermediate seismic threat, according to the classification of the NSR-98 [3], emphasizing the city of Bogotá fundamentally. Keywords: Composites, fibers, matrix, house, MEF.

1. INTRODUCCIÓN

LO MISMO QUE EL HOMBRE, MEDIANTE EL CULTIVO, EL DESMONTE, LOS CANALES, LOS CAMINOS, MODIFICA LA FAZ DE LA TIERRA Y CREA UNA GEOGRAFÍA PROPIA, EL ARQUITECTO ENGENDRA CONDICIONES NUEVAS PARA LA VIDA HISTÓRICA, SOCIAL, MORAL. LA ARQUITECTURA ES CREADORA DE ENTORNOS IMPREVISIBLES. SATISFACE CIERTAS NECESIDADES Y PROPAGA OTRAS. ES LA INVENTORA DE UN MUNDO.

HENRI FOCILLON, LA VIDA DE LAS FORMAS

En el mundo en que se vive, el riesgo juega un papel fundamental. Y es que, en esencia, la vida es puro riesgo; el esfuerzo constante por mantenerla es, de hecho, una lucha contra todos aquellos factores que inducen la posibilidad permanente de perderla. La complejidad de la experiencia vital en nuestra civilización produce un enfrentamiento continuado, que se asume de forma colectiva o individual, tanto más cuanto mayor es el grado de sofisticación que marca las relaciones humanas. En muchos casos, la escala y la complejidad de los riesgos hacen difícil una predicción a largo plazo, y de cualquier forma la mitigación de sus consecuencias es una tarea difícil y costosa. Dado que con el estado actual del conocimiento no resulta factible una eficaz predicción de cualquier tipo de fenómeno, sea natural o provocado, el esfuerzo de las autoridades competentes se debería concentrar en tareas de prevención, que engloben un amplio abanico que vaya desde la inversión en investigación y desarrollo hasta elementos que generen vivienda digna en casos extremos, y la adopción de medidas especiales en materia de ordenamiento territorial. El hecho de la innovación arquitectónica y de la renovación del modo de vida en el presente siglo está suscitando un profundo malestar, porque se puede percibir cómo alrededor de la cuestión de lo nuevo, se perfilan los postulados de un pensamiento muy generalizado, aquél que se apoya en la oposición entre lo antiguo, devuelto al pasado, y lo moderno, instalado sobre los hechos del futuro, y sobre el rechazo a los modelos anteriores, de hecho superados, en beneficio de otra propuesta que se presupone necesariamente mejor. La reflexión sobre el espacio de la innovación lleva a definir dos niveles de lectura: primero, la estructura, lo esencial, lo perdurable; segundo, lo secundario, lo temporal.

Si bien la cuestión de la vivienda sigue siendo una de las más complejas y fundamentales, ésta sólo es determinante en la evolución social en tanto se relacione con el contexto urbano, el paisaje, la naturaleza de las ciudades y su evolución en el tiempo. Al tener como punto de partida lo anterior se llega a un nivel de análisis más definido que toca a lo esencial, lo perdurable: el espacio colectivo que se mantiene, cualesquiera sean los nuevos programas de vivienda, como el lugar del movimiento y de la relación entre los integrantes de ese colectivo, el marco estructural que debe contener en perfecta coherencia, las complejidades de una heterogeneidad arquitectónica y urbana, pero también, la determinante socio-cultural. Las verdaderas herramientas de la renovación del hábitat se sitúan menos en la necesidad de nuevos planteamientos para los barrios que denominamos subnormales, que en la búsqueda de nuevas estrategias urbanas, fundadas en una aproximación ante todo contextual, para la elaboración de los fragmentos de una ciudad en transformación. El gran atraso que vive la construcción en nuestro país se debe, en gran medida, al rechazo y al temor por afrontar nuevas tecnologías constructivas. Así, como el problema del agro en Colombia se ejemplifica por el monocultivo, el problema de la construcción está caracterizado por la concentración de esfuerzos, prácticas, capacitación e investigación en torno a materiales convencionales para nuestras construcciones como lo es el concreto, seguido por la mampostería y en algunos casos por el acero para complementar y cerrar sus estructuras. La presente investigación sobre el empleo de nuevos materiales, en el desarrollo de soluciones de vivienda en Colombia, se dirige no tanto a la búsqueda de nuevos planteamientos para generar una vivienda digna, como a la búsqueda de una estrategia fundada en la aprehensión crítica de la realidad propia de nuestro país, una realidad que se acompaña de una mirada capaz de develar la fuerza potencial de cada sitio, de afirmar su esencia, de restituir esa poesía de lo evidente, de lo ordinario.

2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

LLEGAMOS A MORAR, APARENTEMENTE, SÓLO POR MEDIO DE LA CONSTRUCCIÓN. ESTA ÚLTIMA, LA CONSTRUCCIÓN, TIENE A LA PRIMERA -LA MORADA- COMO SU META (...) DE ESTA FORMA EL MORAR SERIA EN CUALQUIER CASO EL FIN QUE PRESIDE TODA CONSTRUCCIÓN. MORAR Y CONSTRUIR SE RELACIONAN COMO FIN Y MEDIO. SIN EMBARGO, MIENTRAS SEA ESTO TODO LO QUE TENGAMOS EN MENTE, TOMAREMOS MORAR Y CONSTRUIR COMO DOS ACTIVIDADES SEPARADAS: UNA IDEA QUE EN SI TIENE ALGO DE CORRECTA. AÚN, AL MISMO TIEMPO, POR EL ESQUEMA MEDIO-FIN OBSTRUIMOS NUESTRA VISIÓN DE LAS RELACIONES ESENCIALES. PORQUE CONSTRUIR ES NO SOLAMENTE UN MEDIO Y UNA VÍA HACIA MORAR: CONSTRUIR ES, EN SÍ MISMO, MORAR.

MARTIN HEIDEGGER, 5 DE AGOSTO DE 1951, SIMPOSIO SOBRE “HOMBRE Y ESPACIO” CELEBRADO EN DARMSTADT, ALEMANIA. CONFERENCIA LLAMADA

BAUEN WOHTEN DENKEN, CONSTRUIR MORAR PENSAR.

La necesidad de cobijo y formación de hábitat en las distintas zonas que componen el territorio colombiano, en los dos tipos de escala, rural y urbana, está determinada por factores naturales, sociales y culturales; esta, en principio sustenta el desarrollo del presente proyecto de investigación, acotando que el ejercicio se limitara a zona urbana básicamente. Este problema requiere de soluciones industrializadas y autosuficientes,4 las cuales deben generar respeto y conciencia del entorno natural y cultural determinado,5 procurando no alterar ni forzar dichas condiciones para obtener un óptimo funcionamiento de la respuesta dada. El problema de la vivienda para los sectores de bajos ingresos en Colombia generalmente ha sido entendido en términos cuantitativos, considerándose tangencialmente el déficit cualitativo, situación que repercute en deterioro de la calidad de vida de la población.

4 La definición a estos términos, tal y como se entienden en el desarrollo de la arquitectura, están ampliados en el Capitulo 11 5 Ver análisis de respeto y conciencia ampliado en el Capitulo 6

En Bogotá, ciudad a la que se limita la presente investigación, entre 1972 y 1985 la tasa de disminución de la dimensión de parcela para viviendas se había reducido un 3.56%. En este sentido, el tamaño del lote se ha reducido un 60% a partir de su dimensión inicial6. De hecho, en este momento la vivienda mínima se construye en una parcela de 36 m2 (3 metros de ancho y 12 metros de largo). Se da la posibilidad para esta investigación de diseñar viviendas fijas o transportables “no convencionales en su sistema constructivo” 7, donde la flexibilidad y congruencia entre el diseño y la función proporcionen variedad de espacios. De igual manera, se plantea presentar nuevas posibilidades -hoy en día de alguna manera subvaloradas- para frenar la monotonía y la ausencia de innovación en el desarrollo de nuevos procesos constructivos empleando materiales diferentes a los convencionales (concreto, madera y acero) en las estructuras, acabados y cerramientos de los proyectos arquitectónicos creados hasta ahora.

6 Parcela para vivienda en las décadas de los 70 y 80, dimensiones promedio 12.00 m x 24.00 m 7 Sistemas constructivos no convencionales, ver Capitulo 6

3. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA El presente documento de investigación delimita el proyecto teniendo en cuenta, los siguientes tres aspectos: 1. Nuevos materiales: En un universo tan extenso como el que encierra este término, la investigación se delimita a sólo tres tipos de nuevos materiales los cuales pueden ser procesados en nuestro medio, o cuya importación sería factible si se requiriese su empleo (fibra de carbono, fibra de vidrio y matrices termoestables). La descripción se detallará, más adelante, en capítulos de estudio aparte para cada uno de ellos; sin embargo, es pertinente aclarar que los materiales referidos, materiales compuestos, (fibras, matrices y materiales para núcleos) generan sistemas de fácil entendimiento y manejo en nuestro medio como son las membranas, los sistemas colgantes o simplemente los paneles para división y cerramiento no rígidos, que son de uso común en nuestro país. 2. La Vivienda: En Colombia la oferta de vivienda ha sido utilizada como instrumento de desarrollo, de reivindicación social de familias afectadas por factores de violencia, de reactivación económica y, por ende, como generadora de empleo. Cabe señalar que la producción de vivienda en el país en el transcurso de los últimos 25 años se ha multiplicado por tres, pero, en contraste, su desarrollo tecnológico se ha estancado. En la actualidad, el gobierno nacional ha dado inicio a un programa de urbanización a gran escala de terrenos dedicados a la construcción de vivienda de interés social con recursos provenientes del aporte de países amigos. El sector privado y las administraciones locales son y seguirán siendo en nuestro país grandes aliados para el desarrollo de programas sociales, en los cuales la vivienda es acción prioritaria. Las alianzas estratégicas con la participación de los actores mencionados permiten multiplicar los esfuerzos y recursos destinados para este fin. Pero sin embargo, el temor al cambio en el empleo de nuevos sistemas constructivos y nuevos materiales hace que el adelanto en el desarrollo de la vivienda en Colombia sea muy poco.

3. La Norma Sismo resistente: Pretender caracterizar y definir criterios para el empleo de nuevos materiales en el desarrollo de viviendas en todo el territorio colombiano seria una labor que forzaría varios años de investigación y experimentación, generando además, unos costos imposibles de asumir a mutuo propio, es por esto, que la presente investigación delimita, teniendo en cuenta las disposiciones de la NSR-98, la aplicación de los nuevos materiales objeto del estudio a Zonas de Amenaza Sísmica Intermedia y en especial a la ciudad de Bogotá.

4. JUSTIFICACIÓN Hoy en día en el mundo la investigación y propuesta sobre nuevos materiales está muy avanzada. Aún nosotros no tenemos la formación y la cultura del desarrollo, cuando se nos presentan materiales como los paneles de yeso-cartón, fibrocemento, materiales sintéticos y otros, seguimos convencidos que aquel material que no tiene un peso específico alto no posee las características estructurales adecuadas para generar construcciones con altas especificaciones de sismo-resistencia y durabilidad. El empleo de materiales livianos y sistemas constructivos que faciliten el transporte, la adecuación y la solución de viviendas de gran calidad en las diferentes zonas que componen el territorio colombiano, debe ser prioritario en un país como el nuestro que se niega a aceptar que estamos en una gran zona de amenaza sísmica, con condiciones climatológicas desfavorables, estado de guerra permanente y que aún no implementa sistemas constructivos adecuados para el empleo de nuevos materiales. Los nuevos materiales -materiales compuestos- de alto comportamiento tales como los materiales poliméricos reforzados con fibras, aún no han alcanzado su madurez en cálculo y empleo para estructuras civiles. No han surgido procedimientos confiables de análisis de predicción de falla. En cuanto a placa y cascarones se han desarrollado en gran parte a partir de métodos isotrópicos, sin tomar en cuenta el efecto del cortante ínterlaminar o haciendo suposiciones muy simplificadas. Se puede decir que están en un punto de evolución similar al que tenía el acero en el siglo XIX. Para abreviar el periodo normal de tiempo que tal vez requeriría el desarrollo de las tecnologías necesarias, la FHWA8 está invirtiendo varios millones de dólares por considerarla un área de investigación de alta prioridad de la que se esperan grandes oportunidades para la construcción de puentes atirantados. Otras aplicaciones esperadas son barras de refuerzo, rejillas, losas, sistemas viga-columna y anclajes de preesfuerzo.

8 FHWA, Federal Highway Administration, U.S. Department of Transportation, Washington D.C.

A partir de las anteriores premisas, la presente investigación no pretende generar normas, por el contrario proyecta caracterizar nuevos materiales (materiales compuestos), sus procesos de obtención y aplicación a sistemas constructivos no convencionales (sistemas dinámicos)9, apoyada en la Ley 400 de 199710, capitulo II, que en su parte esencial dice: ...”OTROS MATERIALES Y METODOS ALTERNOS DE DISEÑO Y CONSTRUCCION” ARTICULO 8º.-Uso de materiales y métodos alternos.- Se permite el uso de materiales estructurales, métodos de diseño y métodos de construcción diferentes a los prescritos en esta Ley y sus reglamentos, siempre y cuando se cumplan los requisitos establecidos en los artículos siguientes. ARTICULO 9º.-Materiales alternos.- Se permite el uso de materiales estructurales no previstos en esta Ley y sus reglamentos, mediante autorización previa de la “Comisión Asesora permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistente” en los términos del articulo 14, sujeto a régimen de responsabilidades establecido en la presente Ley y sus reglamentos. ARTICULO 10º.-Métodos alternos de análisis y diseño.- Se permite el uso de métodos de análisis y diseño estructural diferentes a los prescritos por esta Ley y sus reglamentos, siempre y cuando el diseñador estructural presente evidencia que demuestre que la alternativa propuesta cumple con sus propósitos en cuanto a seguridad, durabilidad y resistencia, especialmente sísmica, y además se sujete a unos de los procedimientos siguientes: 1.-Presentar con los documentos necesarios para la obtención de la licencia de construcción de la edificación, la evidencia demostrativa y un memorial en el cual inequívocamente acepta la responsabilidad sobre las metodologías de análisis y diseño alternas, o 2.-Obtener una autorización previa de la “Comisión Asesora Permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistentes”, de acuerdo con lo dispuesto en el articulo 14, que le permita su utilización, sujeto al régimen de responsabilidades establecido en la presente Ley y sus reglamentos. ARTICULO 11º.-Métodos alternos de Construcción.- Se permite el uso de métodos alternos de construcción y de materiales cubiertos, pero cuya metodología constructiva sea diferente a la prescrita por estos, siempre y cuando el diseñador estructural y el constructor, presenten, en conjunto, un memorial en el cual inequívocamente aceptan las responsabilidades que se derivan de la metodología alterna de construcción.

9 Sistemas dinámicos, ver Apartado 6.2 10 AIS, Asociación Colombina de Ingeniería Sísmica, NSR-98, Normas colombianas de diseño y construcción Sismo Resistente, Ley 400 de 1997, Decreto 33 de 1998.

ARTICULO 12º.-Sistemas prefabricados.- Se permite el uso de sistemas de resistencias sísmicas que estén compuestos, total parcialmente, por elementos prefabricados que no se encuentren contemplados en esta Ley, siempre y cuando cumplan con uno de los procedimientos siguientes: 1.-Utilizar los criterios de diseño sísmico presentados en el Titulo A de la reglamentación, de conformidad con lo dispuesto en el articulo 46 de esta Ley 2.-Obtener autorización previa de la “Comisión Asesora Permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistente”, de conformidad con lo dispuesto en el articulo 14, que le permita su utilización, la cual no exime del régimen de responsabilidades establecido en la presente Ley y sus reglamentos. ARTICULO 13º.-Otros sistemas, metodologías o materiales.- Cualquier sistema de diseño y construcción que haga referencia al objeto de esta Ley y sus reglamentos, del cual exista evidencia obtenida por uso, análisis o experimentación de que esta capacitado para cumplir sus propósitos pero no reúne uno o más requisitos específicos de la Ley y sus reglamentos, podrá presentarse ante la dependencia Distrital o Municipal a cargo de la expedición de las licencias de construcción, acompañado de una autorización de la “Comisión Asesora Permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistentes”, de acuerdo con lo dispuesto en el articulo 14, la cual no exime del régimen de responsabilidades establecido en la presente Ley y sus reglamentos. ARTICULO 14º.-Conceptos de la “Comisión Asesora Permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistentes”.- Con base en la evidencia presentada sobre la idoneidad del sistema de resistencia sísmica y del alcance propuesto para su utilización, la “Comisión Asesora Permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistentes” emitirá un concepto sobre el uso de materiales, métodos y sistemas comprendidos en esta Ley y sus reglamentos.

5. OBJETIVOS

5.1 Objetivo Horizonte Fomentar el empleo de nuevos materiales (fibras, matrices y materiales para núcleos), a través del manejo de una promoción y difusión adecuada de los beneficios y posibilidades que presentan estos para el diseño de sistemas constructivos no tradicionales de viviendas en Colombia.

5.2 Objetivo General Establecer las condiciones para que materiales compuestos a partir de Fibras de Carbono, Fibras de Vidrio, Epóxi, Poliéster y Poliuretano (fibras, matrices y materiales para núcleos), puedan ser aplicados a sistemas constructivos de vivienda en Colombia.

5.3 Objetivos Específicos

Teniendo como base los requisitos exigidos por la NSR-98 caracterizar, a partir de sus propiedades físicas y mecánicas, los materiales compuestos a base de Fibra de Carbono, Fibra de Vidrio, Epóxi, Poliéster y Poliuretano y los elementos constitutivos del sistema estructural empleados para la presente investigación.

Proponer un análisis comparativo que evalúe ventajas y

desventajas del sistema propuesto ante otros sistemas constructivos utilizados en Colombia que emplean materiales compuestos, Royalco, Speed Co y Metecno, específicamente.

Demostrar, a través de la relación costo - beneficio, la viabilidad

del empleo de nuevos materiales para sistemas constructivos de viviendas en Colombia.

6. MARCO TEÓRICO En Colombia, para el desarrollo de sistemas constructivos de vivienda, no existe el conocimiento y el empleo de nuevos materiales y por razones culturales se ignoran sistemas diferentes a los tradicionales (convencionales). Se sigue creyendo que las carpas de camping son sistemas de membranas complejos, cuando la realidad es otra. La planificación de las ciudades y la incapacidad de los entes oficiales de enfrentarse a situaciones extremas, que desgraciadamente se han vuelto cotidianas tanto para emergencias como para desplazados o catástrofes naturales, crean un carácter crítico, por esto, es aquí donde existe mayor obligación en el tratamiento de todas las necesidades del ser humano.

6.1 Los Nuevos Materiales El sector de la construcción es especialmente prometedor para los nuevos materiales estructurales desde el punto de vista de las elevadas cantidades que de ellos se podrían utilizar, dado que los conceptos de seguridad y fiabilidad en este sector son fundamentales. Los nuevos materiales, y en especial aquéllos reforzados por armaduras textiles, permiten generar elementos que pueden responder a las exigencias de resistencia, rigidez, estabilidad y equilibrio, multipropiedades (térmicas y acústicas) y de aptitud a la integración de funciones (domótica). La búsqueda del confort humano y de la economía de energía -tanto en el plano de generación como de utilización-, y la necesidad de industrializar la construcción (para evaluar los costos reales y minimizar los siniestros) son aspectos que favorecen el desarrollo de los nuevos materiales en la construcción. Un ejemplo es el referenciado a continuación: la empresa General Electric ha creado recientemente en Pitsfield (Massachussets) una vivienda integral con nuevos materiales. Este proyecto, ambicioso y muy demostrativo, hace convencer a los más escépticos de que la transposición integral materiales tradicionales - nuevos materiales es posible y real. La credibilidad de esta vivienda, que utiliza fundamentalmente materiales poliméricos y materiales compuestos de matriz orgánica, se resume en dos aspectos: en primer lugar, la totalidad del proyecto plantea soluciones constructivas muy innovadoras, tanto a nivel de obra primaria

(montaje de cubiertas, entrepisos, muros,...) como de obra secundaria (red de distribución hidráulica integrada en los elementos constructivos, asistencia por multi-captadores y ordenador de funciones múltiples como la regulación térmica, la humedad, la renovación de aire). En segundo lugar, los problemas de recuperación de los desechos o los subproductos industriales de naturaleza polimérica son tenidos en consideración en esta construcción, tanto en la selección y tratamiento de desechos como en los materiales de construcción procedentes del reciclaje (pavimento, revestimiento del suelo, elementos de partículas,...). La coherencia de este proyecto radica en el hecho de que se ha tratado todo el edificio con la misma metodología, con las mismas familias de materiales y con el mismo objetivo: llevar a cabo con la máxima calidad las funciones clásicas de una vivienda desde el punto de vista del usuario. Las estructuras portantes - como entrepisos, contrapisos, paneles de fachada, cubiertas - son macro componentes fabricados, integrando estructuras textiles como refuerzo interno de cada elemento. Los entrepisos, así como los muros, son estructuras portantes fáciles de ensamblar y a la vez su estructura interna es utilizada como circulación de instalaciones hidráulicas y de redes técnicas (electricidad, teléfono, circuito de seguridad,...). Este proyecto es sobresaliente también por el acabado de sus elementos, sus características dimensionales y sus coeficientes de seguridad, próximos a los de un producto industrial como el automóvil. La construcción y demostración de esta vivienda tiene como objetivo presentar los métodos de concepción y construcción, con materiales que estarán presentes en la realización de viviendas individuales en el futuro. Presenta también el interés de servir de laboratorio destinado a evaluar las múltiples aplicaciones de los polímeros técnicos, y sus sistemas de puesta en obra en el sector de la construcción. Según afirman sus creadores, “esta vivienda ha sido concebida para ampliar las miras de los profesionales de la construcción en el sentido de las posibilidades que ofrecen los nuevos materiales y los nuevos métodos de construcción. Es una herramienta de investigación”11.

11 MIRAVETE Antonio, Los nuevos materiales en la construcción, 1ª ed, Zaragoza: Editado por A. Miravete, 1994, Pág. 186

6.2 Sistemas No Convencionales Desde principios de los 60’s Buckminster Fuller empezó a trabajar con estructuras geodésicas y geometría sinergética (“synergetic geometry”). Su gran aporte consistió en cambiar la concepción que se tenía del espacio como algo estático y sin forma definida. “El espacio tiene forma” era su principal consigna. Convirtió la geometría espacial en diagramas de vectores en continuo movimiento y cambio de forma. Por medio de conceptos y principios muy sencillos y con el Jitterbug logró explicar las íntertransformaciones de los sólidos y su comportamiento estructural. Esto permitió ampliar el campo de visión en el diseño de sistemas no convencionales, tomando estos sistemas transformables como módulos básicos para el desarrollo de grandes estructuras arquitectónicas con movimiento (hoy conocidas como estructuras dinámicas). Buckminster Fuller fue el primero en proponer estructuras desplegables aplicadas a la arquitectura, él estaba impresionado con la industria automovilística americana, que utilizaba métodos centralizados y estandarizados en la construcción de complejas máquinas, a 25 centavos de dólar la libra en 1928. Fuller pensó que toda esa técnica podría ser utilizada en la construcción arquitectónica remplazando los métodos de producción artesanal, y también podía llegar a construir a 25 centavos la libra. Esta fue la motivación real de Fuller. El problema era cómo manejar toda la dimensión de una construcción arquitectónica desde la fábrica. En 1950 imaginó la producción de un sistema de domo geodésico que se plegaba con un mecanismo de tijera, y podía mandarse como un cohete y desplegarse, por sí mismo, con el impacto. El primer ejemplo de estructura desplegable fue un campamento para la marina estadounidense, en 1958. Consistía en un domo geodésico con el sistema de tijera. Requería, con respecto a otros campamentos militares, solo el 3% del peso, el 6% de volumen, el 14% de costo y el 1% de horas en labores de erección. Comparado con las carpas, el sistema de Fuller era 75% más ligero en peso y utilizaba 88% menos de tiempo en ser instalado y podía perdurar hasta 150 millones de horas a la intemperie. Además se empacaba como un paracaídas, el cerramiento era una membrana que se izaba con un compresor de aire en 15 minutos.

6.3 La Vivienda

6.3.1 Arquitectura y sostenibilidad La arquitectura está necesariamente implicada en todo programa de desarrollo sostenible, una cuestión sin duda ineludible en el siglo que se inicia. Los edificios tienen un impacto en su entorno a diferentes escalas, desde la región a la ciudad, al sector y al barrio. Este impacto se deriva de los elementos y los sistemas que los constituyen, de los materiales utilizados, y se manifiesta de diversas formas a lo largo del ciclo completo de vida del edificio. La selección de materiales que implica todo proyecto trae consigo consecuencias inevitables: el impacto de su extracción, procesamiento y fabricación; la energía necesaria para llevar a cabo estos procesos; las emisiones asociadas con el uso de ciertos productos, así como su mantenimiento, demolición, reciclaje y vertido posteriores. Asimismo, en las estrategias a futuro que afectan al empleo de combustibles, debe tenerse en cuenta el gran impacto ambiental de las posibles emisiones contaminantes a la atmósfera, del consumo de energía en su extracción, su procesamiento y su distribución. Cabe considerar, además del impacto a escala global, el impacto sobre la escala menor de los espacios habitados como los interiores de las viviendas y los lugares de trabajo, en relación con aspectos como la calidad del aire, la ventilación, las buenas condiciones térmicas, la calidad espacial y la iluminación, la actividad desarrollada o el placer y la seguridad. El entorno construido constituye un medio básico y relativamente estable. El hecho de que los edificios tengan, por lo general, una vida de varias décadas, e incluso algunos lleguen a conservarse durante siglos, los convierte en uno de los principales patrimonios de la sociedad. Valorizarlo implica considerar el ciclo de vida de los edificios en su totalidad y rehuir aquellas pretensiones de corto alcance que se justifican en la mera minimización de las inversiones iniciales. Una estrategia basada en el desarrollo sostenible tratará de prolongar la vida de las estructuras existentes, así como de reutilizar los materiales de su construcción originara. La adaptación de lo existente es, por lo general, preferible a la construcción de un nuevo edificio, la actualización de su funcionamiento constituye un despliegue eficaz de los recursos.

6.3.2 Arquitectura ecológica: teoría y práctica Se han propuesto algunos criterios relacionados con la arquitectura ecológica. Conviene tener en cuenta, sin embargo, que ésta no consiste sólo en la aplicación de estos criterios, sino en verificar que el proyecto, en todos sus aspectos, provoque el menor impacto (o que provoque el impacto más beneficioso posible) sobre los ecosistemas y los recursos no renovables de la biosfera. El diseño eco-lógico está asociado a una aproximación holistica al proyecto, a una gestión escrupulosa de la energía y de los materiales, así como al esfuerzo por reducir el impacto de su funcionamiento sobre el medio durante el ciclo de vida del sistema proyectado. Estas consideraciones pueden ordenarse en un conjunto estructurado de interacciones (impactos recíprocos) entre el medio construido y el medio natural, interacciones que son análogas a las de todo sistema abierto. En este sentido, las interacciones se pueden clasificar en cuatro grupos genéricos:

Las interdependencias externas del sistema proyectado (sus relaciones externas o ambientales),

Las interdependencias internas del sistema proyectado (sus

relaciones internas),

Los intercambios de energía y materia del exterior al interior del medio edificado,

Los intercambios de energía y materia del interior al exterior del

medio edificado. Un enfoque ecológico del proyecto debe considerar simultáneamente estos cuatro aspectos, así como también sus interrelaciones mutuas.

6.3.3 Arquitectura y cultura La vivienda en propiedad es una idea compartida socialmente. El hecho de pagar por el bien adquirido proporciona, al ocupante, una seguridad de la que no pueden disfrutar quienes han logrado un pedazo de tierra o una casa precaria en un asentamiento irregular, o quienes ven mermados sus ingresos por pagar un alquiler. Pero la apropiación de la vivienda en un sentido más amplio se da posteriormente, cuando el usuario vive en ella. Este proceso de interpenetración le confiere a la vivienda un carácter culturalmente diferencial que, por sus características, apunta contra las cosmovisiones externas, por lo general, de una manera implícita. A manera de ejemplo, cito las modificaciones que los habitantes de Lice, Turquía, hicieron a las casas proporcionadas por su gobierno tras el terremoto de septiembre de 1975: ninguna de las 1.500 viviendas tenía los

aditamentos tradicionales; inmediatamente la respuesta de la gente se tradujo en la adecuación de sus viviendas “para tener una puerta delantera y una cubierta protegida para los animales”. Al año siguiente, en el mes de febrero, los guatemaltecos sufrieron las consecuencias de un desastre natural idéntico. Y de la misma manera, al poco tiempo, los techos de sus viviendas lucían los pedazos de poliuretano que habían recortado de los iglúes gigantes, que les habían enviado para suplir las viviendas devastadas por el terremoto. Podría pensarse que este fenómeno tiene lugar porque dichas construcciones son precisamente fabricadas para situaciones extremas y, por tanto, no se prestan para responder a las necesidades culturales de un grupo determinado, pues lo más importante en esos casos es la provisión elemental de cobijo. La realidad nos muestra que, aún cuando la vivienda es planeada con antelación para un grupo social específico, no se toman en cuenta factores culturales o, por lo menos, climáticos. Esto puede observarse, por ejemplo, en el sureste de México, en donde la gente abandona las viviendas de concreto para ubicarse en el patio trasero al abrigo de una choza de palmas, sobre el piso de tierra que le permita enterrar el ombligo de los recién nacidos. O, en otros poblados reubicados, donde las familias siembran maíz en las jardineras de las nuevas casas con que fueron dotadas. Los hechos culturales que el constructor transmite a través de su vivienda posiblemente le proporcionen un beneficio de funcionalidad y de reconocimiento social, o tal vez no, y su casa resulte incómoda; sin embargo, lo que aquí importa no es que las casas resultantes sean feas o bonitas, grandes o chicas, y poco importa también si éstas cumplen ciertos requisitos de higiene y confort. Simplemente la importancia de estos procesos se deriva de la representatividad que tienen como hechos culturales que aglutinan en torno toda una cosmovisión del grupo de que se trate, y de cómo éste resuelve sus problemas comunes, en este caso el de alojamiento. Y de la forma en como se vive social y culturalmente la pertenencia a una clase subalterna.

7. NUEVOS MATERIALES

7.1 Introducción Los primeros materiales compuestos o “composites” aparecieron durante la Segunda Guerra Mundial. Se trata de materiales heterogéneos, constituidos por una matriz plástica orgánica (polímero) asociada con un refuerzo fibroso, por lo general de vidrio o de carbono, que puede presentarse en forma de partículas, mats, fibras cortas, largas o continuas. Son termoestables o termoplásticos y su historia se remonta, según los casos, a menos de cincuenta años o apenas una década. Según las características de la matriz y de los refuerzos, se distinguen generalmente dos grandes familias: los “composites” de gran difusión, poco onerosos, que ocupan una cuota importante del mercado, y los “composites” de altas prestaciones. Estos últimos, generalmente reforzados con fibras continuas de carbono o de aramida, están reservados a sectores de alto valor agregado: aeronáutica, medicina, deportes y recreo.

Ilustración 1. Sectores de aplicación de los materiales compuestos12

12 MIRAVETE Antonio, Los nuevos materiales en la construcción, 1ª ed, Zaragoza: Editado por A. Miravete, 1994, pág. 12, Grafica Andrés Felipe Pérez Marín.

V EST ID O14 %

V A R IOS18 %

IN D U ST R IA14 %

M ED IC IN A7%

T R A N S18 %

C ON ST R U C C7%

A GR IC U LT U R A4 %

GEOT EX T ILES9 %

OC IO9 %

Pero ya se han desarrollado más de una docena de procedimientos de aplicación, lo cual es mucho más que las grandes técnicas de transformación de metales desde hace doscientos años: fundición, sinterización, forja, embutición, soldadura. Los materiales compuestos se definen de manera general, se les llama así a los materiales estructurales que están construidos ó “compuestos” por elementos químicamente dispares. Bajo esta definición general, los aviones de madera contra-chapada, y aún las estructuras alveolares de metal pueden considerarse como materiales compuestos (debido a que han sido unidos con adhesivos); pero la aceptación moderna es más limitada. En el lenguaje común actual, los materiales compuestos son aquellos en los que las fibras de unas sustancias están incorporadas en una matriz de otra sustancia, habitualmente un plástico, para crear un material con propiedades mecánicas especiales. Comúnmente, también se designa a estos materiales como plásticos de fibra reforzada, pero esta expresión es algo engañosa por cuanto hace pensar que el material fundamental es el plástico y que las fibras son elementos accesorios. En realidad son las fibras las que casi siempre soportan la carga de los elementos y las matrices plásticas sirven únicamente para estabilizarlas y repartir las cargas entre ellas. Los materiales compuestos estructurales, según los conceptos actuales difieren por ejemplo de los ladrillos de adobe o de hormigón reforzado con acero, en los que la paja o el acero proporcionan la resistencia a la tracción. En los materiales compuestos sintéticos modernos, tanto la fuerza tensora como la compresión las soporta el “refuerzo” fibroso. Aún con esta definición, los materiales compuestos no son algo nuevos; la fibra de vidrio y la baquelita reforzada con resina epóxica han sido utilizadas durante decenas de años en una enorme variedad de productos. Lo que es nuevo actualmente es una gama de materiales compuestos avanzados; materiales que utilizan fibras de gran rendimiento como el carbono, la aramida, o el vidrio “S” en matrices epóxicas (lo mas generalizado) y, cada vez mas, poliamidas y materiales o termoplásticos exóticos. Estos materiales superan las aleaciones metálicas en resistencia y rigidez, son mucho más livianas, tienen características superiores de fatiga y, lo que es muy importante, son prácticamente inmunes a la corrosión. Por consiguiente están sustituyendo a los materiales en muchas aplicaciones en aeronaves, tanto civiles como militares.

7.2 Empleo de Los Nuevos Materiales en la Construcción Los Materiales Compuestos, constituidos por fibras de refuerzo embebidas en una matriz de resina, presentan una serie de ventajas que los hacen altamente competitivos frente a los materiales tradicionalmente empleados en la construcción. “Los nuevos materiales se caracterizan por su ligereza, sus densidades oscilan entre 0.03 y 2.0 k/dm ³, lo cual aporta enormes ventajas tanto desde el punto de vista de economía y facilidad de transporte, como del de economía y facilidad de montaje. Sin olvidar la disminución significativa de cargas muertas” 13 . A continuación se resumen las más importantes: Características principales:

Baja densidad, entre 0.03 y 2.0 k/dm ³.

Excelente comportamiento frente a la corrosión y ataque de agentes ambientales.

Altas características mecánicas a esfuerzos simples: tracción,

compresión, flexión, corte e impacto.

Libertad de diseño, teniendo la posibilidad de moldeo.

Integración de funciones

Acabados diversos

Fácil industrialización

Color en la masa, existe la posibilidad de pigmentación durante el proceso de fabricación.

Mantenimiento mínimo pues se consideran autolimpiables con la

lluvia.

Materiales "a la carta", lo único que limita sus posibilidades de diseño es la creatividad de quien propone los nuevos materiales.

Auto extinguibles, altamente resistentes al fuego ya que

presentan una baja inflamabilidad.

13 MIRAVETE Antonio, Los nuevos materiales en la construcción, 1ª ed, Zaragoza: Editado por A. Miravete, 1994, Pág. 13

Translúcidos u opacos, dependiendo del grado de luminosidad de

la pieza.

Resistentes a impacto.

Resistentes a abrasión.

Durabilidad elevada.

Uso en medios químicamente agresivos.

Aislante térmico, la configuración tipo sándwich permite obtener un coeficiente de conductividad térmica muy bajo.

Aislante eléctrico (excepto con refuerzos de carbono).

Numerosos procedimientos de fabricación.

Permeable a las ondas electromagnéticas.

“Como aspectos que limitan su uso, se debe subrayar la falta de mentalización entre los usuarios y el escaso conocimiento que de estos materiales se tiene… El costo es otro aspecto que en algunos casos limita su utilización pero es necesario subrayar que mediante un diseño adecuado y tras evaluar las ventajas económicas que conlleva el uso de estos materiales: ligereza, economía de montaje y transporte, reducción de cargas muertas, mantenimiento prácticamente nulo, eliminación del proceso de pintura, se puede afirmar en la mayoría de los casos, que el uso de estos materiales es rentable.”14

7.3 Nuevos Materiales, Los Más Representativos El hombre siempre ha utilizado una gran variedad de materiales. Al principio, los buscaba en la naturaleza y desarrollaba métodos para extraerlos y purificarlos. Actualmente, con el desarrollo tecnológico es posible fabricar materiales a medida, es decir acorde con las necesidades del momento. También se habla de materiales inteligentes, por ejemplo cementos que incluyen un pegamento que se libera cuando una pieza de este material se quiebra. Todo este desarrollo viene acompañado por algunos problemas ambientales, como por ejemplo la contaminación y el agotamiento de los recursos naturales. Es por esto que se buscan fuentes renovables de materias primas y productos biodegradables. Los plásticos son un buen ejemplo de los nuevos materiales15.

14 MIRAVETE Antonio, Los nuevos materiales en la construcción, 1ª ed, Zaragoza: Editado por A. Miravete, 1994, Pág. 14 15 Ver Anexo 1

7.3.1 Clasificación para los nuevos materiales16 Sin desconocer otras posibles clasificaciones para los que se denominan hoy en día nuevos materiales o materiales compuestos, Las Fibras se clasifican en función de su naturaleza, composición (aleatoria, unidireccional) y tamaño (largas y cortas). En la clasificación de las fibras se distinguen: Fibras cerámicas

Carburo de Silicio Alumina

Fibras Metálicas Fibras Inorgánicas

Carbono Vidrio A, B, C, D, ERC, R, S y X Boro

Fibras Orgánicas

Aramida Polietileno

De igual manera en las MATRICES se encuentran tres grupos: Matrices Inorgánicas

Cemento Geopolimeros Yeso

Matrices Termoestables

Epóxi Vinilester Poliéster Fenolica Esteres cianato Bismaleimidas Poliamidas Polieteramida

Matrices Termoplásticas

ABS Polipropileno Policarbonáto Acetato

16 MIRAVETE Antonio, Los nuevos materiales en la construcción, 1ª ed, Zaragoza: Editado por A. Miravete, 1994

PBT Polieterimida PET Nylon Poliamida PEEK - PEKK - PAI – PAS

Los NUCLEOS pueden ser: Nido de abeja

Aluminio Nomex Polipropileno

Espumas

Poliuretano Poliestireno PVC

Otros

Sándwich Tejido 3D Madera Balsa

Finalmente los ADHESIVOS empleados son:

Epoxi Poliuretano

Y como complemento encontramos RECUBRIMIENTOS:

Cerámicos Fenólicos Epoxi + arena Intumescentes Mats

7.4 Comportamiento de Los Nuevos Materiales 7.4.1 Introducción Para poder determinar el comportamiento de un material compuesto a largo plazo, es necesario inter-relacionar las características de su fabricación inicial con sus propiedades mecánicas. Los materiales compuestos están constituidos por diferentes componentes los cuales individualmente no podrían cumplir la función que en conjunto determina su caracterización. Normalmente presentan una matriz polimérica reforzada con fibras de diferente tipo (ver clasificación. Capitulo 7.3.1) lo que constituye un

material reforzado convencional; pero hablar de un material compuesto avanzado nos hace pensar en un diseño para la distribución adecuada del refuerzo (fibra) dentro de una sección y así de esta manera mejorar sus características mecánicas: rigidez razonable y resistencia elevada. Un material compuesto de fibra de vidrio y poliéster (como el que se va analizar para el presente proyecto) conjuga características de resistencia elevadas con un mínimo peso y un costo reducido (ver relación costo-beneficio).

Otras características de estos materiales que les hace muy atractivos para aplicaciones estructurales es su versatilidad de formas de fabricación y la posibilidad de ser moldeados con las formas que se deseen, pudiéndose distribuir la resistencia y espesor de acuerdo a las exigencias del diseño. Los materiales compuestos de fibra de vidrio tienen también como ventaja su bajo coeficiente de dilatación y conductividad eléctrica (buen comportamiento frente a rayos), transparencia a las ondas electromagnéticas (no producen interferencias de radio y TV), buena estabilidad dimensional y resistencia a la corrosión. En cuanto al comportamiento frente a la fatiga de los materiales compuestos, este es superior al de otros materiales convencionales, aunque no existen aun suficientes datos para conocer con todo detalle cual es su resistencia a fatiga sobre todo cuando se une además la acción de los agentes atmosféricos (agua, hielo, rayos U.V). 7.4.2 Procesos de fabricación17 Los procesos de fabricación para plásticos reforzados con fibra dependen de su función, tamaño, cantidad, tasa de producción, acabados y consideraciones de costo. Existen dos procesos claramente definidos, procesos de molde abierto o procesos de molde cerrado. Los más usados en molde abierto son: proyección, contacto, bolsa de vacío, infusión, preimpregnados, centrifugación, enrollamiento filamentario y RFI. Los más usados en molde cerrado son: laminado continuo, transferencia de resina (RTM/VARTM), inyección de termo estables, RIM / RRIM / SRIM, moldeo en prensa, SMC/BMC y pultrusión. Los cuatro empleados para la presente investigación son: contacto, laminado continuo, preimpregnado y pultrusión

• Contacto “a mano”: el más simple y versátil. Libertad de colocación de fibras. Fabricación de formas muy delgadas de manera sencilla. Sin embargo, la producción es lenta y el acabado depende de la pericia del operario

17 Ver Anexo 2

• Laminado continuo: apropiado para alto volumen de producción de chapas corrugadas. Espesor limitado.

• Preimpregnado: Los preimpregnados son unos subproductos constituidos por fibras convencionales y resinas especialmente formuladas de modo que pueden ser almacenados por largos periodos de tiempo manteniendo el Estado-B siendo posible su procesado posterior. El estado de “semicurado” o estado-B, le confiere un tacto semipegajoso, denominado “tacking”.

• Pultrusión: piezas de sección transversal constante (perfiles, celosías, postes, varillas,...). Dificultad en las uniones (atornilladas, remachadas, por adhesivo...)

7.4.3 Diseño estructural con nuevos materiales18

... "TENEMOS LO SUFICIENTE PARA CONSTRUIR CON TÉCNICAS AVANZADAS, SI SABEMOS DE ELLAS. [...] LA AVIACIÓN Y LA CONQUISTA ESPACIAL NOS HAN SEÑALADO RUMBOS, MISMOS QUE NOSOTROS QUEREMOS IGNORAR. [...] QUEREMOS SEGUIR SOSTENIENDO LA ARTESANÍA EN VEZ DE METERNOS EN EL NUEVO MUNDO DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN. [...] NO HEMOS QUERIDO EMPLEAR NI LOS MATERIALES, NI LOS PROCEDIMIENTOS DE LAS NUEVAS TÉCNICAS"...

FERNANDO BARBARÁ ZETINA, FEBRERO DE 1972.

El mundo vive una revolución tecnológica e informática mucho más profunda y extensa que lo que fue la Revolución Industrial del siglo XVIII. Se vive en una época maravillosa con nuevos inventos y descubrimientos diariamente al alcance de la mano. Cada época de cambio suscita momentos críticos en la historia de la humanidad. En este momento, los constructores son protagonistas de un rompimiento histórico como lo fueron hace más de un siglo. Entonces, como ahora, los constructores se han comprometido con el futuro de los espacios arquitectónico y urbano. Más aún cuando la humanidad transita por graves problemas de sobrepoblación y destrucción de recursos no renovables que restringen el umbral de soluciones dirigidas a resolver sus problemas y sus necesidades elementales. El derecho a la habitación que todo ser humano posee, después de más de medio siglo de continuos intentos, errores y vaivenes (muchos de ellos nunca menospreciados y siempre valiosos), han creado retrasos y evidentes déficit en el área de vivienda.

18 OCAMPO RUIZ Ernesto, Los nuevos materiales del siglo XXI, Revista Bitácora, ejemplar mayo a septiembre de 2001

Los materiales constructivos modernos que están fabricándose en todas las disciplinas humanas plantean una opción futura viable y real para mejorar el espacio arquitectónico y cubrir esas carencias. “Estamos en el momento adecuado de integrar a nuestras herramientas de diseño, a la formación de nuestros profesionales, y al quehacer profesional cotidiano, el conocimiento y dominio de las nuevas tecnologías. El no hacerlo propiciará seguramente el desplazamiento del constructor de su papel tradicional como encargado del diseño y ejecución del espacio arquitectónico y urbano al final del siglo XXI.”19 En toda época, la aportación, la originalidad y la innovación requirieron de diversos desarrollos de tecnologías constructivas dando como resultando estructuras y espacios característicos. Con cada descubrimiento un nuevo reto, con cada solución un nuevo conocimiento tecnológico o científico. Sin embargo, en la arquitectura actual se construye con materiales que han sido ya desechados por la mayoría de las otras disciplinas humanas. Es posible ver, en pleno siglo XXI, cómo en la arquitectura seguimos usando actualmente la madera, la guadua y el bambú (en menoscabo del planeta y su medio ambiente), la piedra, el adobe, el ladrillo de barro cocido, el hierro forjado, el vidrio y las argamasas de morteros, yesos y concretos, el acero y algunos plásticos básicos. Es decir en pleno siglo XXI estamos construyendo como en “la era de piedra”.20

7.4.3.1 Materiales emergentes En otras disciplinas, a través de los conocimientos científicos y tecnológicos actuales, se han desarrollado nuevos materiales constructivos (con propiedades especiales y asombrosas, son heterogéneos, anisótropos y viscoelásticos) para dar solución a sus necesidades específicas, y que son llamados materiales emergentes: nanoestructurados, cerámicas especiales, polímeros modernos, aleaciones especiales, compuestos, aleaciones con memoria de forma, y biomiméticos. Todos ellos son realizados a partir de innovadores procesos industrializados de carácter físico y químico a partir de las cuatro familias de materiales comunes conocidas: las cerámicas, los polímeros comunes, los metales y los plasmas (ver Figura 2). Los primeros tres grupos de materiales sólidos son considerados como los materiales constructivos básicos tradicionales de la arquitectura actual.

19 Ídem 18 20 Comentario de quien escribe el presente texto

Ilustración 2. Familias de materiales21

Cerámicas Polímeros Metales Plasma Entre los muchos materiales emergentes se encuentran los materiales compuestos cuya característica principal es la de combinar los esfuerzos de dos o más materiales básicos en una mezcla única creando un nuevo y diferente material (un ejemplo lo tenemos en el concreto simple, material compuesto muy común en la industria de la construcción, cuya matriz o aglutinante es el cemento, y el agregado o aglutinado son la grava y la arena). Dentro de este grupo hay ya candidatos a sustituir al concreto armado por sus cualidades, su facilidad constructiva, su costo en procesos en masa altamente industrializados, y su superior resistencia a esfuerzos combinados: los compuestos de matriz polimérica combinados con fibras de boro, carbono, kevlar o de vidrio. De hecho, el futuro Puente de Gibraltar (ver Figura 3)22, tendrá en lugar de una losa de concreto colgada, una placa de fibra de vidrio continua, entretejida y colada en una matriz polimérica de 40 cm. de espesor, con ocho carriles de ancho, y una longitud aproximada de 20 millas.

Ilustración 3. Puente sobre el estrecho de Gibraltar. Anteproyecto Ilustración 4. Nanotubo de Carbono (Cx)23

Anteproyecto de un puente sobre el estrecho de Gibraltar que incluye tres vanos principales de 3550 m. y dos vanos laterales de 1500 m (tramos colgados) y dos viaductos de acceso de 5400 y 6600 m en vanos de 300m. La profundidad de las cimentaciones es de hasta 290 m en los vanos centrales.

21 Imagen tomada de www.obrasweb.com 22 Imagen tomada de CFCCD_ archivos 23 Imagen tomada de www.obrasweb.com

Dentro de los materiales emergentes destaca otra de las familias más prometedoras de materiales que pueden ser incluidas en la industria de la construcción a mediano plazo: los materiales nanoestructurados (ver Figura 4). En especial, las cerámicas nanoestructuradas son una buena opción para construir elementos estructurales cortos que prometen ser cientos de veces más resistentes que cualquier aleación utilizada hasta el momento en estructuras tridimensionales ligeras. Por otro lado, existen también ya grandes candidatos nanoestructurados para sustituir al vidrio en el medio de la construcción. Ejemplos tales como el ALON, material ultra resistente a impactos y aislante natural a radiaciones infrarrojas (oxinitruro de aluminio nanoestructurado vulgarmente conocido como "aluminio transparente"), y como el recientemente descubierto "acrílico antibalas" mexicano (compuesto polimérico nanoestructurado, con matriz de acrílico y nanoesferas de hule natural como agregado, desarrollado por el Departamento de Física Aplicada y Tecnología Avanzada de la UNAM, en colaboración con la empresa Resistol) sustituirán al frágil, inseguro y peligroso vidrio en las ventanas de nuestras viviendas del futuro (ver Figura 5)24.

Ilustración 5. Vivienda del futuro

La característica fundamental de estos nuevos materiales es que permiten ser predeterminados y diseñados durante la gestación del proyecto a desarrollar. Para cada proyecto puede existir un material único y especial para resolver el problema, porque está comprobado que de la forma en que los materiales tengan su estructura molecular dependerán sus propiedades específicas. Si el arquitecto usa como herramienta los conocimientos de la moderna ciencia y tecnología de materiales, combinados con métodos objetivos para su selección y evaluación, podrá obtener un material de construcción adecuado para cada problema constructivo.

24 Imagen tomada de www.obrasweb.com

Aun cuando sabemos que han aparecido muchos materiales novedosos en el siglo XX, hemos incorporado a la arquitectura muy pocos de ellos siempre de forma tardía y con desconfianza. ¿Qué ha pasado entonces con el arquitecto y su oficio en el comienzo de este siglo? Pareciera que el arquitecto espera a que le digan qué material puede ser usado en la construcción porque tiene ya muchos años de haber sido probado con éxito en otras ramas de la industria; cree que no estamos interesados en buscar nuevas aplicaciones inmediatas a los nuevos materiales emergentes descubiertos; piensa que vivimos acostumbrados a cierto tipo de materiales y procedimientos, que un poco por amor a ellos y otro poco por desconocimiento de otros, hemos seguido utilizando por más de 5,000 años y, según parece, considera que deseamos seguir utilizándolos en el próximo milenio. Frank Lloyd Wright dijo acertadamente que "en algunas mentes, hay duda o temor o esperanza, de que la arquitectura esté trasladando su circunferencia. Así como la pala de cemento y algunos ladrillos ceden el paso al metal laminado, y a la trituradora; así como el obrero le da paso a la máquina automática, así el arquitecto parece estar dándole paso al ingeniero, al vendedor o al propagandista... [Por el contrario]…la circunferencia de la arquitectura está cambiando con asombrosa rapidez, pero su centro permanece inamovible".

8. PLANTEAMIENTO DEL MATERIAL

8.1 Definición de los Materiales Un compuesto estructural es un sistema material consistente de dos o más fases en una escala macroscópica, cuyo comportamiento mecánico y propiedades están diseñados para ser superiores a aquellos materiales que lo constituyen cuando actúan independientemente. Una de las fases es usualmente discontinua, conocida regularmente como fibra la cual es un material rígido y otra fase débil en continuo que es llamada matriz. Las propiedades de un material compuesto dependen de las propiedades de los elementos, geometría, y distribución de las fases. Uno de los parámetros más importantes es la fracción en volumen o en peso de fibras en el material compuesto. La distribución del refuerzo determina la homogeneidad o uniformidad del sistema del material. Lo más no uniforme es la distribución del refuerzo, lo más heterogéneo causará una alta probabilidad de falla en las áreas débiles. La geometría y orientación del refuerzo afecta la anisotropía del sistema. Las fases del sistema compuesto tienen diferentes funciones que dependen del tipo y aplicación del material compuesto. En el caso de un material compuesto de bajo o medio comportamiento, el refuerzo es usualmente en la forma de fibras cortas o partículas, proporcionando alguna rigidez, pero sólo frente a esfuerzos locales del material. La matriz en cierta forma es el principal elemento que soporta cargas gobernando las propiedades mecánicas del material. En el caso de compuestos estructurales de alto comportamiento (como es el propuesto en esta tesis), son usualmente reforzados con fibra continua, la cual es la columna vertebral del material que determina la rigidez y refuerzo en la dirección de la fibra y los esfuerzos locales se transfieren de una fibra a otra. La interfase a pesar de su corto tamaño, puede jugar un importante rol en controlar el mecanismo de fractura, la fuerza para fracturar y en conjunto el comportamiento, esfuerzo - deformación del material.

8.1.1 Materiales compuestos - Clasificación Los materiales compuestos avanzados son heterogéneos, anisótropos y viscoelásticos. Se fabrican a partir de una gran variedad de combinaciones posibles y mediante numerosos procesos de fabricación (ver apartado 7.4.2) con grados de precisión variables. Tales condiciones (variedad infinita de configuraciones) han creado situaciones tales que permiten optimizar la disposición de fibras y matrices. A continuación se hace una introducción a los materiales empleados para la presente investigación, cabe anotar que se sigue el orden en la estructuración de un material compuesto, es decir: fibras, matrices y núcleos. Los materiales compuestos tienen dos clasificaciones fundamentales:

1. Materiales compuestos por partículas: Dentro de estos se pueden distinguir dos tipos; los dispersoides, y los “verdaderos”, como se conocen en el mercado. Se diseñan para dos condiciones básicas, el endurecimiento de la matriz o para obtener propiedades poco usuales, despreciando la resistencia en el material. Ciertas propiedades de un compuesto particulado dependen sólo de sus constituyentes, de forma que se pueden predecir con exactitud mediante la llamada regla de las mezclas, que es la sumatoria de las propiedades (densidad, dureza, índice de refracción, etc.) dividida por la fracción volumétrica del constituyente.

2. Materiales compuestos por fibras: Por lo general, este tipo de compuestos

consiguen mayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, en una matriz más blanda y dúctil. El material matriz transmite la fuerza a las fibras, las cuales soportan la mayor parte de la fuerza aplicada. La resistencia del compuesto puede resultar alta a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. De forma semejante a los compuestos particulados, la regla de las mezclas predice algunas de sus propiedades. Se decidió trabajar en la presente investigación con materiales compuestos por fibras: fibra de carbono y fibra de vidrio, sobre matrices de epóxi y poliéster.

8.2 Materiales compuestos - Materias Primas empleadas en la presente investigación 8.2.1 Fibras

8.2.1.1 Fibras de carbono25 Se obtienen a partir de una fibra "precursora", generalmente el PAN (poliacrilonitrilo), que es sometida a diferentes procedimientos de transformación: Estirado (orientación), Oxidación, Carbonización, Grafitización. Pueden obtenerse dos tipos de fibra: Fibras HR (alta resistencia), Fibras HM (alto módulo) y se encuentran disponibles en diversas presentaciones: Mechas (500 - 100.000 filamentos), Tejidos (unidireccionales o multidireccionales), Tejidos híbridos (Virio-Carbono, Aramida-Carbono) y Preimpregnados con epóxi. Particularmente, las fibras HM tienen un módulo específico 70 veces superior al de las aleaciones de aluminio. Además, tienen un coeficiente de dilatación muy bajo, lo que permite una gran estabilidad dimensional a las estructuras y una conductividad térmica elevadas. Presentan algunos inconvenientes: el costo, la baja resistencia al choque y las diferencias de potencial que al generar contacto con los metales, pueden favorecer corrosiones de tipo galvánico. Ilustración 6. Fibra de Carbono26 Empleada en actividades de grandes exigencias, la fibra de carbono se considera un material de costo elevado, se propone como material para la presente investigación teniendo en cuenta no solo sus propiedades físico-mecánicas si no la posibilidad que existe hoy en día de obtener fibras de altas especificaciones a precios equiparables a las fibras convencionales. Es de esta manera que se puede demostrar la relación costo-beneficio propuesta en los objetivos de la presente investigación.

25 Para ampliar la definición, Ver Anexo 3 26 Imagen tomada del curso de Nuevos Materiales, Modulo 2, Maestría en Construcción Universidad Nacional de Colombia

8.2.1.2 Fibras de vidrio27 La fibra de vidrio es vidrio en forma de filamentos. Los filamentos pueden ser hechos con diversos tipos de vidrio, designados con las letras A, B, ERC, C, D, R y S. Los más comúnmente utilizados para refuerzo de productos son los tipos E (eléctrico), R (alta resistencia mecánica y módulo de elasticidad) y C (alta resistencia química). El vidrio fundido es obligado a pasar por unos canales a 1200 ºC obteniéndose las fibras primitivas que luego se humidifican, enciman, ensamblan y bobinan (Ver Figura 7). El grosor del filamento en la fibra de vidrio se mide en tex, o número de gramos que pesa el hilo por cada 1000 metros de longitud. Existen desde 68 tex a 5000 tex con una nomenclatura28 predeterminada, los más habituales son 2400 y 1200 tex.

Ilustración 7. Producción de la Fibra de Vidrio

27 Para ampliar la definición, Ver Anexo 3 28 Ver Ilustración 8

Ilustración 8. Ejemplo de nomenclatura para la Fibra de Vidrio

Las presentaciones de la Fibra de Vidrio se clasifican en: Tejido: Se emplea para conseguir resistencia en dos direcciones. Mat: Fieltro de hilos continuos o troceados mantenidos por un ligante adaptado al moldeo. Roving: Hilos continuos formando un hebra principalmente utilizada en la técnica de Enrollamiento Filamentario. Par los modelos propuestos en la presente investigación se ha seleccionado fibra de vidrio con tejido equilibrado y con alta resistencia mecánica y módulo de elasticidad. 8.2.2 Matrices En los primeros compuestos la matriz era de lodo. Actualmente ésta puede ser de metal, polímeros e incluso de cerámicas. Pero cualquiera que sea la forma de la matriz, ésta se comporta como un pegamento que mantiene unido al compuesto en tanto que el equivalente moderno de la paja, por ejemplo fibras de carbón y partículas cerámicas, le añaden resistencia y rigidez. En un material compuesto, la matriz es mucho más que un simple pegamento que mantiene unidas las fibras. También es una barrera que protege a las fibras para que no se dañen, haciéndolas resistentes a la humedad, a los ataques químicos y/o a las altas temperaturas. Además, sostiene las fibras ya que éstas se pandean y ceden fácilmente cuando se comprimen.

8.2.2.1 Matrices de epóxi Las matrices epóxi son polímeros que contienen en su molécula dos o varias funciones epoxídicas. La rigidez, resistencia y dureza de los epóxis es superior a la de las resinas de poliéster y viniléster, y, por ello, pueden operar a niveles de solicitación y temperaturas más altas. Tiene buena adherencia a muchos sustratos, baja contracción durante la polimerización y son especialmente resistentes a los ataques de los álcalis. Las resinas epóxi se caracterizan por sus elevadas propiedades mecánicas, baja retracción, un buen comportamiento a temperaturas elevadas, hasta 180ºC y una buena resistencia ante los agentes químicos. Ilustración 9. Resina epóxi

8.2.2.2 Matrices de poliéster En la práctica, la resina poliéster insaturada se obtiene por policondensación del anhídrido maléico, anhídrido ftálico y polipropilenglicol. El polímero obtenido es disuelto en estireno. Esta solución puede copolimerizar, bajo la acción de radicales libres o por el calor. La copolimerización conduce al endurecimiento y se realiza sin eliminación de productos secundarios y sin necesidad de presiones ni de temperaturas elevadas. La configuración y la composición química de la resina poliéster endurecida determinan sus características y sus propiedades (flexibilidad, dureza, resistencias mecánica, química, térmica, etc.). Las resinas de poliéster mas utilizadas son la de tipo ortoftálico e isoftálico. Estas últimas presentan propiedades superiores desde el punto de vista de comportamiento ante ataques químicos y medioambientales. Ilustración 10. Resina de poliéster Las resinas seleccionadas para evaluar los modelos son resinas comerciales de fácil adquisición y cuyo sistema de impregnación esta libre de solventes, lo que garantiza una adherencia continua a la fibra seleccionada. Los detalles técnicos pueden ser evaluados en el apartado 8.4.2.1.2 del presente documento.

8.2.3 Núcleos Para lograr que una construcción estructural tipo sándwich responda correctamente durante su vida de servicio, el núcleo deberá poseer unas determinadas propiedades mecánicas, características térmicas y dieléctricas, etc., bajo las condiciones dadas, pero manteniendo su baja densidad para satisfacer las limitaciones de peso. Un núcleo debe cumplir con los siguientes requisitos:

El núcleo debe tener suficiente resistencia para asimilar los esfuerzos de cortadura. Además el adhesivo debe tener una resistencia suficiente para transmitir los esfuerzos de cortadura al núcleo.

El núcleo debe tener suficiente espesor y módulo a cortadura para prevenir el efecto de pandeo global en pieles y núcleo.

La resistencia a compresión del núcleo debe ser suficiente para resistir aplastamiento ante cargas de diseño que actúan perpendicularmente a la superficie de las pieles.

Los núcleos (Ilustración 11) para paneles tipo sándwich se clasifican de la siguiente manera:29

NUCLEOS:

NIDOS DE ABEJA: ALUMINIO - NOMEX

ARAMIDA POLIPROPILENO

TEJIDOS 3D:

OTROS (ESPUMAS):

POLIURETANO PVC POLIESTIRENO ESPUMA FENOLICA

(MADERA BALSA) Ilustración 11. Núcleos para Paneles tipo Sándwich Para la presente investigación se emplea un núcleo en Poliuretano de Alta Resistencia. Una variedad excelente de poliuretano que utiliza una mezcla de poliol graft y polimérico. La espuma de Alta Resistencia (Resilencia) tiene una estructura celular diferente de los productos convencionales. Esta estructura le ayuda a aumentar el soporte, confort y durabilidad. Este tipo de espuma tiene un alto Factor de Soporte que se describe como la relación existente entre el confort superficial y el de la parte central de la espuma. Esta espuma es vendida a densidades altas y es considerada como un material de muy alta calidad.

29 MIRAVETE Antonio, Los nuevos materiales en la construcción, 1ª ed, Zaragoza: Editado por A. Miravete, 1994

8.3 Modo de Empleo de Los Materiales Compuestos La forma de empleo estructural más comúnmente empleada para los materiales compuestos es el uso como estructuras de pared delgada, ya sea en forma de "laminados" o "estratificados" (apilamiento de láminas delgadas fuertemente unidas entre ellas), o en forma de “sándwich" (compuesto de un núcleo central de un material de espesor apreciable y baja densidad, con revestimientos relativamente delgados de láminas de material compuesto unidas al núcleo por ambos lados). 8.3.1 Laminados

8.3.1.1 La lámina y el laminado Los materiales compuestos laminados son anisótropos (las propiedades del material varían con la orientación de las coordenadas de referencia, no son iguales para todas las direcciones, como en el caso isótropo). Cuando existe algún tipo de simetría en el material, el número de constantes disminuirá. Por esto, aunque el laminado es anisótropo, la lámina individual tiene simetría en tres planos ortogonales y se dice que es un material ortótropo. Una vez aclarado que la lámina individual es considerada como material ortótropo se va a hablar de los laminados. Cada lámina se apila con diferentes orientaciones de dirección del filamento entre las diferentes capas para conseguir un laminado con las propiedades deseadas de rigidez o de resistencia. Un laminado viene definido por el número de láminas que lo componen, la dirección que toman estas láminas y la secuencia con que se disponen dentro del laminado. Con la combinación de estos factores podremos obtener infinidad de laminados distintos, con propiedades diferentes entre unos y otros; por lo tanto, al hablar de un laminado, estamos hablando de un material. Por ejemplo:

Material 1: [0/90]s Material 2: [02/90/90/02]t

Se puede concluir que el laminado está formado por varias láminas ortótropas dispuestas según el diseño preestablecido y por lo tanto es anisótropo. Cuando se diseñan laminados compuestos, se tiene la posibilidad de jugar con las posiciones y número de las láminas y crear un material único. Se quiere recalcar, que cada laminado es un material diferente, así que ensayar con diferentes laminados, es como aplicar materiales distintos cada vez al modelo. Por eso habrá que estudiar cómo se diseñan esos laminados para conseguir los comportamientos deseados para el caso que se esté estudiando.

8.3.1.2 El laminado Un material compuesto laminado es aquel que está formado por varias capas o láminas. Cada lámina consiste en una columna de filamentos paralelos y largos situados en el interior de una matriz, que mantiene a las fibras unidas y distribuye los esfuerzos. Las fibras son las encargadas de soportar la mayor parte de las cargas mientras que la matriz se responsabiliza de la tolerancia al daño, como los golpes, y del comportamiento a fatiga. Las fibras se colocan en láminas, las cuales se superponen en la dirección del espesor, obteniéndose de esta forma los laminados. La forma, la concentración, el tamaño, la distribución y la orientación de las fibras influyen en el comportamiento del material compuesto. Podremos tener láminas unidireccionales, en las que las fibras van en una única dirección de la lámina o tejidos en los que las fibras van entrecruzadas. La característica más sobresaliente de los materiales laminados son la alta rigidez y la resistencia específicas. El objeto del diseño consiste en aprovechar estas características. Por esto la orientación de las fibras dentro de la lámina y el apilado del las láminas dentro del laminado tienen aún más importancia que las propias características físicas de fibra y matriz, porque son las que van a determinar las propiedades finales del material. Se pueden conseguir infinitos comportamientos de rigidez, resistencia, delaminación etc. con los mismos materiales de fibra y matriz variando únicamente la orientación de fibra y la secuencia de apilado. Por lo tanto el material también deberá ser diseñado. El principal aspecto del diseño de materiales compuestos consiste pues, en aprender a utilizar las propiedades en función de la orientación del laminado y conseguir así un material a medida. Para proceder al diseño de un material compuesto se deberá conocer a fondo el comportamiento anisótropo de los laminados para poder sacarles todo su rendimiento. Se estudiará cómo influye la secuencia de apilado de las láminas en las propiedades finales de los laminados, qué teorías de fractura30 se deben aplicar para predecir la rotura de la primera lámina, etc. Si se eligen los materiales constituyentes para fibra y matriz, quedarán los siguientes parámetros a determinar en el diseño del material:

Número de láminas Dirección de la fibra dentro de la lámina Disposición de la lámina dentro del laminado = "lay up"

30 Criterios de rotura para materiales compuestos, Ver Anexo 4

8.3.2 Estructuras tipo sándwich Estos elementos consisten en dos o más materiales independientes situados en capas con diferentes orientaciones, de tal modo que pueden incrementar la resistencia y las propiedades dinámicas manteniendo un peso liviano comparado con una sola capa de material único. Una estructura tipo sándwich consiste esencialmente en dos firmes y delgadas cubiertas ó pieles superficiales de PRFV31, FCE32 ó metal y un núcleo central de espuma rígida los cuales pueden estar integrados mediante un adhesivo estructural ó, pueden integrarse en el mismo proceso de fabricación sin la necesidad de utilizar adhesivos. En la estructura tipo sándwich, las pieles superficiales son comparables a los bordes de una viga doble "T", con las caras del revestimiento soportando las cargas axiales de tracción y compresión. El núcleo central de espuma rígida juega el papel de "malla" distribuyendo las fuerzas de corte y de compresión local sobre áreas mucho más grandes, dando por resultado una superficie de resistencia uniforme sin puntos débiles o concentraciones de sobrecargas y presentando una resistencia al delaminado superior al del nido de abeja y otras espumas usadas como núcleos. Las láminas o pieles superficiales absorben los esfuerzos en el plano, y el núcleo central absorbe las fuerzas de corte y estabiliza los revestimientos superficiales de pandeos o flexiones laterales. Las ventajas de los materiales del núcleo central pueden estar determinadas por su alta relación resistencia / peso, y sus excelentes propiedades dinámicas, térmicas y acústicas. De igual manera, aumentando el espesor del núcleo central se logra aumentar el momento de inercia sin aumentar sustancialmente el peso de la estructura y su costo.

31 PRFV, Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio 32 FCE, Fibra de Carbono y Epóxi

8.4 Caracterización del Material 8.4.1 Proceso de caracterización

8.4.1.1 Material compuesto laminado Teniendo en cuenta la comparación de los tres casos de estudio propuestos en la presente investigación y a partir de las conclusiones obtenidas en el análisis estructural ante la NSR-98, se pretende proponer una solución al diseño empleando los nuevos materiales definidos en el capitulo 3 del presente documento. Se buscará una secuencia de láminas que con sus orientaciones y posición dentro del laminado permitan conseguir un panel capaz de soportar los casos más desfavorables de carga que se encontrarán durante su vida real. Además, el objetivo principal es utilizar el menor número de láminas posible, para que así el costo y el peso sean menores. Se proponen dos elementos para resolver estáticamente: panel y unión, analizados a partir de dos tipos de materiales compuestos, Fibra de Carbono + Epóxi, Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo en poliuretano PUR_40. Será interesante ver cuál de los casos es más desfavorable y estudiar los laminados en ese caso. Como el diseñar con materiales compuestos implica poner material sólo donde sea necesario, habrá que hacer un estudio exhaustivo de las tensiones obtenidas para saber el número exacto de láminas necesarias en cada zona para soportar con seguridad las cargas que se obtengan de los análisis estáticos, análisis que se realizaran a partir del empleo de modelos matemáticos evaluados por métodos de elementos finitos. El aplicar el método de los elementos finitos con un material compuesto tiene alguna diferencia respecto de aplicarlo con materiales isótropos. Al tratarse de materiales ortótropos, el número de constantes a introducir para su definición se multiplica. Además, como se explicó en el apartado 8.3.1.1, cada secuencia de apilado es un material diferente. Por lo tanto, bajo estas condiciones se deberán definir previamente las propiedades de lámina y laminado. Por otro lado, se deberá hacer la malla de forma que se pueda aplicar el material compuesto que se ha definido (carbono-epóxi, vidrio-poliéster y núcleo en poliuretano PUR_40), por lo que habrá que modificar alguna propiedad de los elementos creados para la malla del análisis con los materiales simples. Una vez definidas la malla de forma apropiada y las propiedades de la lámina se deberá estudiar la secuencia de apilado. Únicamente los laminados altamente direccionales muestran beneficios excepcionales. Pero sólo cuando el caso a estudiar trabaja bajo un estado de carga simple se podrán aprovechar las

propiedades superiores de estos materiales compuestos altamente direccionales. En este caso el diseño del material consistiría en orientar las láminas según las direcciones principales de la tensión. En el caso de que se tengan cargas múltiples, como en el presente proyecto, los laminados menos direccionales serán los más convenientes. Por esto habrá que orientar las láminas bajo varios ángulos diferentes, sobre todo en ciertas zonas como la de la unión entre paneles donde llegan fuerzas en múltiples direcciones, lo que complicará el diseño del material. Para este caso se deberá hacer primeramente un mallado de la estructura. A continuación se estudiarán los casos de carga que se van a dar durante la vida útil de la estructura y finalmente se analizarán los resultados obtenidos.

8.4.1.2 Malla (material compuesto) El único paso que habrá que dar, y que diferencia esta malla de la utilizada para materiales isótropos, es que habrá que orientar estos elementos. Como las propiedades del material cambian con la orientación, se deberá fijar una dirección y orientar los elementos respecto a ella. Al definir el lay up o secuencia de apilado, se toma esta dirección como la dirección de la fibra de la lámina a 0º. Por lo tanto, al hablar de una lámina a 90º, se está definiendo la dirección de la fibra con respecto a la orientación de los elementos. Observando los dos casos estáticos propuestos, se podrán averiguar más o menos cuales van a ser las zonas más cargadas. Como se sabe que la estructura no se carga de igual forma en todas sus zonas, y con el fin de aprovechar la propiedad de los materiales compuestos de poder colocar material dónde y en la dirección en que sea necesario, se deberá dividir la estructura en subzonas. No tendría mucho sentido el laminar toda la estructura de forma uniforme según lo que dictara la zona más desfavorable en el caso de carga más desfavorable, pues no se estaría sacando partido de las propiedades características de los compuestos laminados para ahorrar peso y dinero. A cada subzona se le asignará el laminado con las angulaciones apropiadas, con el número de láminas requerido y con la secuencia de apilado óptima. Se deberá jugar con estos tres parámetros para que colocando las láminas en los ángulos apropiados y con el apilado más óptimo, se logre un laminado válido para el caso a estudio con el menor número de láminas posible. De esta forma, si se tiene una zona de la estructura donde las tensiones son pequeñas o en una determinada dirección, se colocarán las láminas en consecuencia. Además se deberá tener en cuenta que aunque una zona, en el estudio de un determinado caso de carga, esté poco solicitada podría presentar tensiones elevadas en otro estado de carga diferente.

El encontrar el laminado óptimo sería más fácil si las tensiones tomaran una dirección predominante, pues se orientarían las láminas en esa dirección. Pero como ya se ha expuesto no va a ser el caso, luego se deberán estudiar laminados multidireccionales con el fin de conseguir soportar con seguridad las cargas a las que la estructura va estar expuesta. Se hará una primera división de la estructura en subzonas. Se irán calculando diferentes laminados a estudio y se irá mejorando esa división agrandando o disminuyendo el área de la zona, así como añadiendo nuevas subzonas hasta llegar a una malla final. La malla en este caso pues, deberá ser actualizada según los resultados obtenidos de los distintos modelos, por lo tanto se irán cambiando la distribución de las zonas hasta llegar a la distribución final de la solución.

8.4.1.3 Análisis de resultados (material compuesto laminado) Para empezar los estudios se elige el caso de la estructura bajo cargas muertas, y cuando se encuentre un laminado que cumpla la condición de que no se rompa bajo este estado de carga, se ensayarán los casos de cargas vivas y fuerzas sísmicas respectivamente para ver si son seguros o hay que modificar algún laminado en alguna zona determinada. El proceso que se seguirá es buscar un laminado de pocas láminas para las zonas menos solicitadas llamado laminado base y posteriormente ir ensayando laminados para las zonas restantes. Después de los modelos se deberá ir actualizando la malla e ir modelando la división de subzonas hasta llegar a la división final con la asignación del laminado óptimo a cada una de las zonas para todos los casos de carga.

8.4.1.4 Búsqueda del laminado base De antemano se prevé que habrá una parte de la estructura que no va necesitar laminados de muchas láminas, ya que existirán regiones donde las tensiones serán menores. Lo que se pretende es encontrar un laminado "base" con láminas a 0º y 90º seguro para las zonas del interior de la estructura, que van a estar menos solicitadas.

8.4.1.5 Búsqueda del laminado para las zonas restantes Tras la elección del laminado base se deberá buscar un laminado que no rompa para las demás subzonas. Con el ensayo del sismo se buscarán los laminados para la mayoría de esas subzonas. Estos laminados se comprobarán para los otros dos casos de carga a estudio y se modificarán en el caso de que no sean seguros. Los elementos de una lámina transmiten tensiones a los elementos de las láminas de arriba y de abajo, así como a los elementos de al lado. No se sabe con exactitud cómo se da esa transmisión de tensiones, luego, la única forma de comprobarlo es haciendo el cálculo. De esta forma, cuando se observe que la lámina número "x" de un laminado ha fallado (porque su índice F ha superado el valor permitido) no se conocerá si ha sido porque no ha absorbido las tensiones que le llegan en esa dirección (en cuyo caso convendría colocar más láminas con ese ángulo) o ha sido por la influencia de las láminas vecinas (en cuyo caso habría que estudiar el laminado de la zona contigua o cambiar la disposición de esa lámina dentro de su propio laminado). Como el comportamiento de los elementos de una subzona influyen en el de los elementos de las regiones vecinas, a cada subzona se le asignará el laminado que se crea que mejor le va a ir, luego habrá que ir definiendo combinaciones de laminados e ir asignándolas a la zona correspondiente. Un ensayo consistirá en la definición de una combinación de laminados distintos (en cuanto a número de láminas, orientación y secuencia de apilado de las mismas) para cada una de las subzonas. Se busca el laminado de menor número de láminas posible para cada subzona. Las láminas tendrán ahora las cuatro orientaciones posibles de la familia (0º, 90º, +45º, -45º). Alguna de las zonas podrá no necesitar láminas de alguno de los ángulos anteriormente mencionados. Sólo queda pues, empezar a hacer modelos para el caso del sismo.

8.4.1.6 Solución final Como se deduce de todo lo descrito en la presente introducción, el encontrar los laminados apropiados para cada zona puede ser una tarea casi imposible, debido a la influencia de muchos factores que no se pueden controlar ni predecir. En este proyecto, como ya se ha descrito, se harán varios modelos (con diferentes laminados en las diferentes zonas) para ver el comportamiento de la estructura y con las conclusiones sacadas de todos ellos se optara por una disposición de láminas y laminados bastante sencilla, lo que dará como resultado una estructura de fácil fabricación.

El laminado estará formado por láminas con distintas orientaciones de fibra. Además habrá zonas de la estructura con mayor número de láminas que otras. Por ejemplo, las zonas con mayor número de láminas serán las cercanas a la unión con el fin de absorber los esfuerzos de cortante que se presenten. Después de realizados los modelos en la estructura, se analizara si es necesario emplear partes metálicas embutidas en el laminado para que aporten rigidez a las zonas más desfavorecidas. Además de aportar rigidez, estas partes metálicas pueden servir como alojamiento a los componentes del confinamiento, que no permiten holguras. Las partes metálicas, si se emplearan, deberán cubrirse con una lámina de epóxi más fibra de vidrio para evitar que se dé el contacto entre el carbono o la fibra de vidrio de las láminas y el metal y se produzca la corrosión. 8.4.2 Materiales empleados Para la presente investigación se proponen dos modelos los cuales son analizados primero matemáticamente a partir de Métodos de Elementos Finitos -MEF- empleando el programa ANSYS33, seguido se hace el mismo análisis en el programa DAC34 y por ultimo con el apoyo de SIKA ANDINA de COLOMBIA y ANDERCOL, quienes facilitaron el material para las pruebas de laboratorio, se realizan las pertinentes a los laminados en el laboratorio del Instituto de Extensión e Investigación - IEI - de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia .

8.4.2.1 Los laminados Para los laminados se proponen dos combinaciones primero, se empleara una mezcla de Fibra de CARBONO + EPOXI, la segunda muestra se realiza a partir de la combinación de Fibra de VIDRIO + POLIESTER.

8.4.2.1.1 Las fibras En el caso de compuestos estructurales de alto comportamiento (como es el propuesto en esta tesis), son usualmente reforzados con fibra continua, la cual es la columna vertebral del material que determina la rigidez y refuerzo en la dirección de la misma y los esfuerzos locales se transfieren de una fibra a otra.

33 Programa Ansys 9.0, versión académica Universidad Nacional de Colombia 34 Designing Advance Composites, Programa de calculo de la Universidad de Zaragoza

8.4.2.1.1.1 Características de las fibras empleadas Fibra de Carbono Para el modelo se emplea una fibra comercial fabricada por Excel, compañía dependiente de General Electric y cuyas características descritas en el cuadro a continuación y suministradas por los fabricantes, fueron las empleadas para el modelo matemático. Tabla 1. Fibra de carbono + Epóxi, Ref. EXCEL AS4/3502

De igual manera, para la validación de los modelos se emplearon fibras y matrices producidas por Sika cuyos valores son aproximados a los empleados en el modelo matemático, y cuyas características son: SikaWrap Hex 103C es un tejido de fibras de carbono unidireccionales, de alta resistencia y alto módulo. El material es saturado en obra usando el sistema epóxico SikaDur Hex 300 o SikaDur Hex 306 para conformar un sistema de Fibras de Carbono Reforzado con Polímeros (CFRP), usado para el reforzamiento de elementos estructurales.

AS4/3502 CARBONO EPOXI UNIDIREC 70%VF

RIGIDEZ RESISTENCIA

Ex(GPa) 146 X(MPa) 1650Ey(GPa) 9.7 X'(MPa) 1350Ez(GPa) 9.7

Y(MPa) 59vxy 0.31 Y'(MPa) 200vxz 0.3vyz 0.52 Z(MPa) 55

Z'(MPa) 250Gxy(GPa) 5.2Gxz(GPa) 5 Sxy(MPa) 70Gyz(GPa) 3 Sxz(MPa) 75

Syz(MPa) 100

DATOS TECNICOS PROPIEDADES DE LA LÁMINA CURADA - FIBRA DE CARBONO • Resistencia a tensión 139,000 psi (960 N/mm2) • Módulo de elasticidad 10,6e6 psi (73100 N/mm2) • Elongación a la rotura 1,33 % • Espesor 1 mm PROPIEDADES DE LA FIBRA DE CARBONO • Dirección de la fibra 0° (unidireccional) • Peso por metro cuadrado 610 g • Resistencia por cm de ancho 970 Kg • Resistencia a tensión 500,000 psi (3450 N/mm2) • Módulo de tensión 34e6 psi (234400 N/mm2) • Elongación 1,5 % • Densidad 1,80 g/cc • Espesor 0,034 cm Fibra de Vidrio Las características de la fibra de vidrio descritas en el cuadro a continuación, y suministradas por el fabricantes, fueron las empleadas para el modelo matemático.

CONSTANTES ELASTICAS RESISTENCIA MÁXIMA

MATERIAL r gr/cm3

Vf%

Ex GPa

Ey GPa n xy ES

GPaX

MPaX’

MPa Y

MPa Y’

MPaS

MPaF. de Vidrio /poliéster 1.93 50 38 10 0.26 4.5 750 850 22 110 55

Tabla 2. Fibra de vidrio + Poliéster, Ref. HEX 100G

SikaWrap Hex 100G es un tejido de fibras de vidrio unidireccionales. El material es saturado en obra usando el sistema epóxico SikaDur Hex 300 o SikaDur Hex 306 para conformar un sistema de polímero reforzado con Fibras de Vidrio (GFRP), usado para el reforzamiento de elementos estructurales.

DATOS TECNICOS PROPIEDADES DE LA LÁMINA CURADA - FIBRA DE VIDRIO • Resistencia a tensión 87,000 psi (600 N/mm2) • Módulo de elasticidad 3,79e6 psi (26131 N/mm2) • Elongación a la rotura 2,24 % • Espesor 1 mm PROPIEDADES DE LA FIBRA DE VIDRIO • Dirección de la fibra 0° (unidireccional) • Peso por metro cuadrado 910 g • Resistencia por cm de ancho 610 Kg • Resistencia a tensión 330,000 psi (2275 N/mm2) • Módulo de tensión 10,5e6 psi (72400 N/mm2) • Elongación 3,1% • Densidad 2,54 g/cc • Espesor 0,0357 cm

8.4.2.1.2 Características de las matrices empleadas Resina Epóxi Sikadur 330, resina de impregnación utilizada en los modelos de la presente investigación, es un sistema de impregnación epóxico de dos componentes, tixotrópico, libre de solventes. DATOS TECNICOS DATOS TIPICOS PARA SIKADUR 330 • Color mezcla Gris claro Componente A Blanco Componente B Gris • Relación de mezcla A : B = 4 : 1 en peso • Temperatura de aplicación +10°C a +35°C • Temperatura de servicio: -40°C a +50°C • Densidad mezcla 1,31 kg/lt • Vida en el recipiente (5Kg) 30 minutos (a +35ºC) 90 minutos (a +10ºC) • Tiempo abierto 30 minutos (a +35ºC) • Viscosidad Pastosa, no fluido • Resistencia a tensión 30 N/mm2, 7 días a +23°C (DIN 53455) • Módulo a flexión 3800 N/mm2 , 7 dias a +23°C (ISO 178) • Módulo a tensión 4500 N/mm2 , 7 dias a +23°C (DIN 53455) • Elongación a la rotura 0,9%, 7 días a +23°C

• Temperatura de deflexión (HDT) Curado HDT (ASTM D 648) 7d, +10 ºC +36 ºC 7d, +23 ºC +47 ºC 7d, +35 ºC +53 ºC 7d, +10 ºC y 7d, +23 ºC +43 ºC

8.4.2.1.3 Características del núcleo empleado Poliuretano de Alta Densidad Para trabajar los núcleos en paneles tipo sándwich existen varios ejemplos de material (nido de abeja, madera balsa, espumas y los especificados en el cuadro de materias primas en el capitulo 7 del presente documento), para el caso que se expone en la presente investigación, se trabajará con un núcleo en espuma cuyas características se definen a continuación: CARACTERISTICAS TÉCNICAS POLIURETANO PUR_40 • Plástico celular con una densidad media de 40 Kg/M3 y una estructura interna de 90% de celdas cerradas, conforme a la norma ASTM-D-1622. • Auto extinguible: Debido a que incluye en su formulación un retardante contra el fuego, conforme a la norma ASTM-D-1692. • Conductividad Térmica: K = 0.132 BTU´s-Pulg./(Hr.)(pie2)( ºF) a una temperatura de 75 °F (24ºC), conforme a la norma ASTM-C-518. • Absorción de Agua: 0.03 Lbs. /Pie2 ó 0.0014 Kg.Dm2. • Transmisión de vapor de agua: 2 Perms (promedio), un PERM es una unidad que equivale a: un grano de vapor de Agua/ (Pie2) (Hr.) (Pulg. de mercurio) (Una libra de vapor de agua es igual a 7,000 granos). • Resistencia a la difusión de vapor de agua: Forma una película de protección compacta que dificulta la penetración de vapor de agua. • Resistencia a la intemperie: Resistencia a las influencias atmosféricas (la luz solar y la lluvia producen únicamente una alteración del color de la superficie expuesta, tornándose ésta ligeramente quebradiza). • Resistencia a los productos químicos: Excelente resistencia al agua, agua de mar, vapores de ácidos, a la mayoría de los solventes, hidrocarburos y aceites minerales. • Estabilidad Dimensional: 10% Vol. (máximo) a 70 ºC y 100% HR. 5% Vol. (máximo) a 70 ºC y 45-50% HR. ambiente.

• Propiedades Mecánicas: Esfuerzo de compresión = 1.0 Kg. /cm2. • Esfuerzo de tensión = 1.4 Kg. /cm2. • Temperaturas de servicio: Mínima- 40 ºC, (dependiendo del espesor del panel) Máxima + 80 ºC

9. PROPUESTA ARQUITECTÓNICA Y DE LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA DE ACUERDO A LAS

EXIGENCIAS DE LA NSR-98 Teniendo en cuenta los parámetros definidos en el Anexo 5, las CONDICIONES PARA EL MÓDULO ESTRUCTURAL estarán sustentadas en La Estabilidad Formal la cual será, entonces, uno de los principios fundamentales de la propuesta estructural del modelo de vivienda donde se propone un modelo cuya estructura no necesite de grandes refuerzos en los nudos para ser estable, sino que su geometría misma determine que el comportamiento de la estructura va a ser bueno en caso de un sismo y sin necesidad de elementos adicionales y posteriores al planteamiento arquitectónico en la estructura. Se pretende que el sistema de resistencia sísmica sea una parte generadora de la vivienda misma y que sea consecuente con su espacialidad. Es posible que tomar este aspecto como prioritario genere una espacialidad diferente a la tradicional, esto es positivo, si la espacialidad es resultado de la concepción integral de la vivienda y de su sistema de resistencia sísmica. 9.1 Modelo Arquitectónico35 Introducción36 Detrás de todo buen proyecto existe un concepto, un núcleo generacional, una idea, que para su construcción requiere nociones de generación de la forma matemático -geométricas, conocimiento y manejo de cuestiones significativas y subjetivas que atañen al hombre como diseñador y como usuario, y una base material que la sustente aplicada con maestría en un contexto determinado. Dice Christopher Alexander que al hablar de diseño “el objeto real de la discusión no es solo la forma sino el conjunto que corresponde a la forma y su contexto”. Si encaramos el problema desde un punto de vista lógico, cognoscitivo, científico; ¿Es esto suficiente? Aspectos a veces despreciados o ignorados resultan determinantes de una propuesta.

35 Ver Planos, Anexo 6 36 COCCATO, Juan Carlos. El Concepto de la Forma en la Arquitectura. Revista Área Digital, Numero 001. Octubre de 1999

Para que una forma espacial tenga significación se requiere de un concepto que le de contenido, engendrado con una clara y potente intención que se apoye en un amplio y profundo conocimiento del problema que implica el yo, los otros, el contexto sociocultural, y el entorno. El concepto es una síntesis a priori que guía los procesos proyectuales y de materialización. Hegel rechaza que el contenido sea algo ajeno a la forma, forma y contenido no están dados separados porque la forma saca de sí misma el contenido. La forma tomada como entidad abstracta carece de significación, por ello partimos del concepto ya que él, lleva implícita tanto la forma, como el contenido (lo que vale decir que el objeto entonces es totalmente constituido por el concepto). En estas consideraciones cobra actualidad el concepto de casa de Lao Tse "una casa no son las paredes y el techo, sino el espacio en que se vive", así resulta claro que la forma afecta al contenido, pero forma - espacio, forma - contenido resultan una realidad irrescindible por lo que el sistema proyectual meramente compositivo conlleva el riesgo de carecer de significado al resultar una composición de equilibrios generalmente en el plano que no incorpora las múltiples dimensiones del espacio tiempo limitando las posibilidades creativas. Planteamiento El planteamiento arquitectónico para el módulo de vivienda propuesto se basa en la normativa que actualmente existe en Colombia y la cual esta amparada bajo el Decreto 206037 del 24 de junio de 2004. Teniendo en cuenta estos parámetros, se diseño un módulo básico para una vivienda con la posibilidad que se pueda ir expandiendo en el tiempo, esta expansión esta sustentada en toda la teoría de desarrollo de Vivienda Progresiva, teoría y condiciones que no son menester tratar en la presente investigación pero que sin embargo se encuentran bien documentadas en diferentes libros y artículos dedicados especialmente a este tema. El trabajo pretende proporcionar un modelo de vivienda que pueda ir creciendo a través del tiempo, pero que siga conservando sus características sismo resistentes. Por esto, para afrontar el problema del crecimiento de la vivienda, a través de figuras que sean formalmente estables, se requiere una estrategia. Esta estrategia debe cumplir principalmente dos aspectos: 1. Ocupar totalmente el espacio disponible. 2. Permitir un control sobre la forma y la estructura de las etapas futuras de la vivienda.

37 Ver Anexo 6

La forma de crecimiento de la vivienda que se ha adoptado empíricamente en la vivienda popular cumple a cabalidad la primera de las dos condiciones, ya que en el afán de aprovechar cada centímetro dentro del lote como espacio vendible o utilizable, se ha llegado, incluso, a sacrificar las condiciones mínimas de habitabilidad de los espacios, condiciones como iluminación directa, ventilación natural, acústica, etc. Así mismo, esta forma de crecimiento no controla, de ninguna manera, los nuevos espacios y estructuras que se adicionan a medida que se requieren o a medida que la capacidad económica de los propietarios permite que se amplíe el área utilizable. El modelo consta de tres espacios cerrados distribuidos en una sola planta sin posibilidad de ampliación en altura, pues la propuesta y el análisis se especifica para una única planta, dedicados el primero al área social, el segundo al dormitorio y el tercero al baño, de igual manera se plantea un espacio abierto que puede cumplir las funciones de patio trasero y en el cual se puede incluir la cocina. Otro de los aspectos en que se apoya la propuesta y que enmarca uno de los factores determinantes en la relación costo beneficio es la industrialización. Aspecto que será tratado en capitulo mas adelante.

Ilustración 12. Planta arquitectónica del modulo de vivienda propuesto

Panel frontal

Panel posterior

Panel lateral

9.1.1 Elementos constitutivos Panel38 El panel ha sido elaborado con un laminado unidireccional de espesor equivalente a 2.5 mm y un núcleo de 60.0 mm., para un total de 65.0 mm. de espesor; una longitud modular de 61 cm. ó 122 cm. y una altura de 230 cm. Conectores39 El conector vertical es un elemento cerrado cuyas dimensiones son 90.0 mm. x 65.0 mm. y una longitud de 230 cm., de igual manera se propone un conector horizontal en forma de “U” como remate superior para los paneles que al mismo tiempo funciona como cinta de amarre para rigidizar el sistema y cuyas dimensiones son 90.0 mm x 90.0 mm. .

38 Ver planos, Anexo 6 39 Ver planos, Anexo 6

9.2 Cálculo y Predimensionamiento

9.2.1 Paneles tipo sándwich El objetivo para este apartado es analizar las cargas que intervienen en el desempeño estructural de los paneles tipo sándwich para determinar su comportamiento y si las dimensiones finales propuestas son las adecuadas.

9.2.1.1 Proceso de cálculo

9.2.1.1.1 Cálculo de la flecha permisible Teniendo en cuenta las recomendaciones de la NSR - 98, el valor de la flecha permisible a Flexión se determina por la siguiente formula:

Ilustración 13. Panel compuesto - Dimensiones

Para el modelo se supone, que los paneles se encuentran apoyados en los dos bordes laterales (entre conectores) por lo cual se tendría una deflexión permisible de: Panel No 1 L = 61 cm. f = 61/250 f = 0.244 cm Panel No 2 L = 122 cm. f = 122/250 f = 0.488 cm

L

h

250Lf =

9.2.1.1.2. Cálculo de pesos: panel y conectores Panel FIBRA DE CARBONO + EPOXI y núcleo en PUR 40 Cálculo del Volumen para el Laminado y el Núcleo

ehLVol ××= Laminado Panel No 1 Vol. = 0.61 m x 2.30 m x 0.0025 m Vol. = 0.0035 m³ Panel No 2 Vol. =1.22 m x 2.30 m x 0.0025 m Vol. = 0.0070 m³ Núcleo Panel No 1 Vol. = 0.61 m x 2.30 m x 0.06 m Vol. = 0.084 m³ Panel No 2 Vol. = 1.22 m x 2.30 m x 0.06 m Vol. = 0.168 m³ Cálculo del Peso para el Laminado y el Núcleo Laminado Peso Específico FC + Epoxi = 1600 k/ m³ Panel No 1 Plam = 0.0035 m³ x 1600 k/ m³ x 2 caras P lam1 = 11.2 kg Panel No 2 P lam = 0.0070 m³ x 1600 k/ m³ x 2 caras P lam2 = 22.4 kg Núcleo Peso Específico Poliuretano PUR 40 = 40 k/ m³ Panel No 1 Pnuc = 0.084 m³ x 40 k/ m³ x 1 cara P nuc1 = 3.36 kg Panel No 2 Pnuc = 0.168 m³ x 40 k/ m³ x 1 cara P nuc2 = 6.72 kg

Peso Total de los Paneles

PnucPlamPtotal += Panel No 1 Pt = 11.2 k + 3.36 k P total1 = 14.56 kg Panel No 2 Pt = 22.4 k + 6.72 k P total2 = 29.12 kg Panel FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER y núcleo en PUR 40 Cálculo del Volumen para el Laminado y el Núcleo

ehLVol ××= Laminado Panel No 1 Vol. = 0.61 m x 2.30 m x .0025 m Vol. = .0035 m³ Panel No 2 Vol. =1.22 m x 2.30 m x .0025 m Vol. = .0070 m³ Núcleo Panel No 1 Vol. = 0.61 m x 2.30 m x .06 m Vol. = .084 m³ Panel No 2 Vol. = 1.22 m x 2.30 m x .06 m Vol. = .168 m³ Cálculo del Peso para el Laminado y el Núcleo Laminado Peso Específico FV + Poliéster = 1930 k/ m³ Panel No 1 Plam = 0.0035 m³ x 1930 k/ m³ x 2 caras P lam1 = 13.51 kg Panel No 2 P lam = 0.0070 m³ x 1930 k/ m³ x 2 caras P lam2 = 27.02 kg Núcleo Peso Específico Poliuretano PUR 40 = 40 k/ m³ Panel No 1 Pnuc = 0.084 m³ x 40 k/ m³ x 1 cara P nuc1 = 3.36 kg

Panel No 2 Pnuc = 0.168 m³ x 40 k/ m³ x 1 cara P nuc2 = 6.72 kg Peso Total de los Paneles

PnucPlamPtotal += Panel No 1 Pt = 13.51 k + 3.36 k P total1 = 16.87 kg Panel No 2 Pt = 27.02 k + 6.72 k P total2 = 33.74 kg Conectores y Cinta de Amarre Cálculo del Volumen y Peso para el Conector y la Cinta de Amarre

ehLVol ××= Peso Específico para el sistema combinado FC + Epóxi = 1640 k/ m³ Conector Vol. = 0.065 m x 0.09 m x 2.30 m Vol. = 0.0135 m³ Peso Peso = 0.0135 m³ x 1640 k/ m³ Peso = 22.14 kg Cinta de Amarre Cinta Vol. = 0.09 m x 2.53 m x .09 m Vol. = 0.0205 m³ Peso Peso = 0.0205 m³ x 1640 k/ m³ Peso = 33.62 kg Peso Específico para el sistema combinado FV + Poliéster = 1970 k/ m³ Conector Peso Peso = 0.0135 m³ x 1970 k/ m³ Peso = 26.60 kg Cinta de Amarre Peso Peso = 0.0205 m³ x 1970 k/ m³ Peso = 40.39 kg

9.2.1.1.2.1 Cálculo del peso total Pesos individuales FIBRA DE CARBONO + EPOXI

22 /38.10 mkpanelPm =

mlkrPmlconecto /63.9=

mlkaPmlc /29.13int = Áreas de Paneles

DIMENSIONES

LONGITUD (mt) ALTURA (mt) CANTIDAD ÁREA TOTAL (m²)

1.22 2.30 12 33.672 0.61 2.30 7 9.821 0.305 2.30 4 2.806 0.61 0.61 4 1.485 0.305 0.61 4 0.744

Pesos Finales

ELEMENTO DIMENSION PESO PARCIAL PESO TOTAL PANEL 48.53 m² 10.38 k/ m² 503.74 kg

CONECTOR 78.20 ml 9.63 k/ml 753.07 kg CINTA AMARRE 21.53 ml 13.29 k/ml 286.14 kg

Tabla 3. Peso total alternativa 1. Fibra de Carbono + Epóxi y núcleo PUR_40

ÁREA TOTAL PANELES = 48.53 m²

LONG. TOTAL CONECTORES = 78.20 ml

LONG. TOTAL CINTA AMAR. = 21.53 ml

PESO TOTAL VIVIENDA = 1542.95 KG

Pesos individuales FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER

22 /02.12 mkpanelPm =

mlkrPmlconecto /57.11=

mlkaPmlc /96.15int = Áreas de Paneles

DIMENSIONES

LONGITUD (mt) ALTURA (mt) CANTIDAD ÁREA TOTAL (m²)

1.22 2.30 12 33.672 0.61 2.30 7 9.821 0.305 2.30 4 2.806 0.61 0.61 4 1.485 0.305 0.61 4 0.744

Pesos Finales

ELEMENTO DIMENSION PESO PARCIAL PESO TOTAL PANEL 48.53 m² 12.02 k/ m² 583.33 kg

CONECTOR 78.20 ml 11.57 k/ml 904.77 kg CINTA AMARRE 21.53 ml 15.96 k/ml 343.62 kg

Tabla 4. Peso total alternativa 2. Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo PUR_40

ÁREA TOTAL PANELES = 48.53 m²

LONG. TOTAL CONECTORES = 78.20 ml

LONG. TOTAL CINTA AMAR. = 21.53 ml

PESO TOTAL VIVIENDA = 1831.72 KG

9.2.1.1.2.2 Cálculo del peso por m2 Área de la Planta

251.3478.5*97.5

mAplmmApl

=

=

FIBRA DE CARBONO + EPOXI

AplWtPm =2

2

22 /71.44

51.3495.1542 mkm

kgPm ==

FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER

AplWtPm =2

2

22 /07.53

51.3472.1831 mkm

kgPm ==

9.2.1.1.3. Fuerzas de viento En el presente apartado se realiza el análisis de las fuerzas de viento que actúan sobre la vivienda de acuerdo a lo estipulado en la NSR-98, Titulo B. Teniendo en cuenta que las fuerzas de viento resultan determinantes para el proyecto en su parte de diseño, la evaluación debe regirse por el ANÁLISIS COMPLETO40 como se establece en el capitulo B.6.4.3 y subsiguientes. Proceso de diseño41 Datos específicos: Ciudad Bogotá Localización del proyecto en zona de centro de ciudad Altura de la edificación hmax ≈ 2.70 mt. 1. Velocidad de viento de diseño Ciudad Bogotá Región 2 Vel. 80 km/h 2. Velocidad del viento de diseño

321 SSVSVs = S1 Coeficiente de topografía 1.0 S2 Coeficiente de rugosidad 0.64 S3 Grado de seguridad 1.0 S4 Variación de densidad del aire 0.7592

hkmVs /20.510.164.00.180 =×××= 3. Presión dinámica

42000048.0 SVsq = (q en kN/m2 y Vs en kph)

22 /9553.07592.0)20.51(000048.0 mKNkphq =××=

2/55.9 mkgq =

40 NSR-98, Titulo B, Capítulo.6.4.3 41 Ver Anexo 7

4. Presión ejercida

Cpqp = Barlovento Sotavento

2

2

2

/87.66/66877.0

/9553.07.0

mkpmkNp

mkNp

−=

−=

×−=

2

2

2

/777.47/4777.0

/9553.05.0

mkpmkNp

mkNp

−=

−=

×−=

Fuerza de viento resultante normal a la superficie

qACpiCpeF )( −= Cpe Coeficiente de presión externa 0.8 Cpi Coeficiente de presión interna 06 Barlovento

kFakNFa

mmkNFa

8.340408.3

84.17/9553.0)6.08.0( 22

==

××−=

Sotavento

kFbkNFb

mmkNFb

03.8585.0

84.17/9553.0))3.0(25.0( 22

==

××−−−=

Fuerza de viento resultante a 90º sobre la superficie

kFbkNFb

mmkNFcd

33.596963.5

606.15/9553.0))4.0(8.0( 22

−=−=

××−−−=

9.2.1.1.4 Fuerzas totales Este apartado define las cargas totales aplicadas a la vivienda teniendo en cuenta los dos tipos de paneles característicos en la conformación del modulo, los paneles frontales, quienes soportan la cubierta y los paneles laterales, los cuales proporcionan estabilidad y rigidez al sistema. Definición de la cubierta Para el modelo de estudio se propone una cubierta a una sola agua simplemente apoyada en los paneles frontal y posterior tipo sándwich, compuesta por un panel metálico inyectado con poliuretano de alta densidad (38 k/m3), recubrimiento por ambas caras en lamina de acero galvanizada prepintada. Referencia: Panel Techmet42 A42-P1000-G4, producido por Metecno de Colombia S.A. MODELO 1: Fibra de Carbono + Epóxi y núcleo PUR_40 Paneles frontales

)3.1.1.2.9(/53.95/352

2

vermkWmkQusocubPcubPpropioDL

=

=

+=

2

2222

/40.185/00.35/3.5.95/16.10/71.44

mkQtmkmkmkmkQt

WQusoDLQt

=

+++=

++=

Paneles laterales

)3.1.1.2.9(/21.380

2 vermkWQusocub

PpropioDL

=

==

2

222

/92.82/21.38/0/71.44

mkQtmkmkmkQt

WQusoDLQt

=

++=

++=

42 Ver Ficha Técnica, Anexo 6

Nomenclatura DL Carga muerta Ppropio Peso propio de la estructura Pcub Peso de la cubierta Qusocub Carga viva de la cubierta W Carga de viento MODELO 2: Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo PUR_40 Paneles frontales

)3.1.1.2.9(/53.95/352

2

vermkWmkQusocubPcubPpropioDL

=

=

+=

2

2222

/76.193/00.35/3.5.95/16.10/07.53

mkQtmkmkmkmkQt

WQusoDLQt

=

+++=

++=

Paneles laterales

)3.1.1.2.9(/21.380

2 vermkWQusocub

PpropioDL

=

==

2

222

/28.91/21.38/0/07.53

mkQtmkmkmkQt

WQusoDLQt

=

++=

++=

9.2.2 Elementos pultruidos Conectores El objetivo es analizar las cargas que intervienen en el comportamiento estructural de los elementos verticales de rigidización que conforman la estructura general del sistema junto a cada uno de los paneles tipo sándwich para determinar, su comportamiento y dimensiones finales. El análisis de los elementos verticales se hace a partir del cálculo de pandeo para cada uno de ellos. Para este modelo se asume que el conector trabajara bajo las condiciones del primer caso de Euler, es decir, un elemento empotrado en voladizo cuya longitud de pandeo Le = 2L DEFINICIÓN DE LA CARGA POR PANDEO (SECCIÓN PROMEDIO)43

)()()/(max 22

422

cmLcmIcmkEpandeoQ ××∏

=

12

3bhI =

4

2

97.20512

)5.6(0.9 cmI =×

=

CONECTOR TIPO 1: Fibra de carbono + Epóxi y núcleo PUR 40

kgcm

cmcmkpandeoQ 17.3727)230(

95.205/97000max 2

422

=××∏

=

CONECTOR TIPO 2: Fibra de vidrio + Poliéster y núcleo PUR 40

kgcm

cmcmkpandeoQ 45.3842)230(

95.205/100000max 2

422

=××∏

=

43 Ver Plano de Detalle, Anexo 6

9.3 Análisis de la fuerza sísmica Para el análisis de la fuerza sísmica el la vivienda se emplea el método de la Fuerza Horizontal Equivalente, cumpliendo con lo estipulado en el Capitulo A, Titulo A444 de la NSR-98. Valores de diseño Los valores determinados para el diseño de la vivienda son: Ciudad Bogotá Zona de Amenaza sísmica Intermedia Región 5 Tipo de suelo S2 Grupo de uso 1 Periodo de la edificación

sgTaTa

hnCtTa

093.0)30.2(05.0 4/3

4/3

=×=

×=

Espectro de aceleración de diseño

5.00.120.05.2

5.2

=××=

=

SaSa

AaISa

44 Ver Anexo 8

9.3.1 Análisis por el método de la Fuerza Horizontal Equivalente (FHE)

FIBRA DE CARBONO + EPOXI y núcleo PUR 40 PISO hx hx^k Wx=Ap*Qm Wxhx^k Cvx Vs Fx= Cvx*Vs

Wxhx^k Sa*Wtotal ∑ Wxhx^k

1,00 2,60 2,60 1558,02 4050,85 1,00 10,05 10,05

4050,85 FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER y núcleo PUR 40 PISO hx hx^k Wx=Ap*Qm Wxhx^k Cvx Vs Fx= Cvx*Vs

Wxhx^k Sa*Wtotal ∑ Wxhx^k

1,00 2,60 2,60 1558,02 4050,85 1,00 11,09 11,09

4050,85

Tabla 5. Análisis de la Fuerza Horizontal Equivalente

9.4 Planteamiento de los modelos

9.4.1 Objetivo Recopilar de manera ordenada los resultados de las diferentes alternativas de combinación propuestas para el presente ejercicio. 9.4.2. Procedimiento Para este ejercicio y teniendo como base los conceptos generales para la aplicación de nuevos materiales, se han definido dos alternativas cada una con dos combinaciones posibles en restricciones. Dichas alternativas dan la posibilidad de emplear materiales unidireccionales y equilibrados no solo para la construcción de los paneles de la fachada del proyecto sino también para crear los elementos que trabajan como sistema de rigidización de la misma. Cada una de las combinaciones de materiales están especificadas en los cuadros anexos del presente capitulo y en ellos se especifican las determinantes de diseño que se definieron para poder realizar el análisis comparativo; en cada ejemplo se plantea la variación de la sección de acuerdo a los resultados del cálculo previo de igual manera los ángulos de inclinación para cada uno de los paneles y sus espesores respectivos con el fin de evaluar la afectación en los costos y las deformaciones sin dejar de lado los requisitos estáticos del sistema portante (estabilidad, equilibrio, rigidez y resistencia ). Terminado este análisis se definen algunas condiciones reales para la fabricación de cada uno de los elementos constitutivos del sistema. Los adhesivos que se sugieren por ejemplo para la unión de los elementos de estructura con los paneles son adhesivos estructurales (resinas epóxi) con el fin de garantizar que dicha junta no falle cuando el material trabaje a tracción y hasta antes de llegar a su limite elástico permitiendo de esta forma, que la estructura trabaje según sus requerimientos mecánicos y físicos. Sin dejar de lado sus condiciones de manejo y su presentación comercial es conveniente recordar las siguientes propiedades de las resinas epóxi:

Poca contracción durante el curado Buenas propiedades mecánicas y elásticas Capacidad de trabajo adecuada a temperaturas muy bajas, hasta

-200ºC Buena resistencia química, incluso frente a ácidos no

concentrados Estabilidad frente al envejecimiento

Además de la construcción de los paneles es preciso definir la construcción de los elementos verticales y horizontales que componen el sistema esqueletal de la estructura, para estos emplearemos el proceso de PULTRUSIÓN, donde se obtienen perfiles de sección constante. Se deduce que el elemento obtenido para este caso son perfiles estructurales que combinan fibras axiales y fibras multidireccionales para alcanzar los requerimientos por inercia longitudinal y transversal. Los perfiles de pultrusión presentan una resistencia mayor aproximada de cuatro veces a la resistencia del acero y una densidad equivalente a la cuarta parte. Poseen un excelente comportamiento ante la humedad, corrosión y aspectos ambientales, también, son retardantes al fuego y no son conductores eléctricos. Aunque teóricamente no se definen limites ni inferior ni superior para el tamaño de las piezas, se debe tener en cuenta que las maquinas estándar pueden fabricar piezas de 200 mm de ancho x 100 mm de alto hasta 760 mm de ancho por 200 mm de alto, los elementos estructurales diseñados para el ejercicio se encuentran dentro de estos limites.

9.4.3 Planteamiento del análisis

9.4.3.1 Análisis DAC DAC (Designing Advanced Composites). Programa desarrollado por la Universidad de Zaragoza en el Departamento de Ingeniería Mecánica y específicamente en el laboratorio de materiales compuestos. Este programa se basa en el método de análisis de elementos finitos (MEF) que soluciona la desviación (flecha) y la fuerza de un laminado simétrico rectangular tipo placa o sándwich que posea condiciones de sistema simplemente apoyado o empotramiento en dos lados opuestos. La carga puede ser una carga puntualmente localizada o una presión uniforme sobre la placa entera, el laminado y el núcleo del sándwich pueden ser cualquier tipo de material. A partir de los datos obtenidos en el análisis estructural se procedió a modelar el material en el programa, al igual que todos los programas de elementos finitos, el DAC esta dividido en módulos. Para el presente análisis se empleó el modulo PLATES, modulo que permite analizar el laminado de manera independiente pero de igual manera nos da la posibilidad de analizar el panel tipo sándwich de manera global.

En la Figura 14 se presenta una explicación gráfica del funcionamiento del modulo y los datos que se deben ingresar para el modelo. Modulo PLATES, datos de entrada (Pre-Procesador)

Ilustración 14. Panel del pre-procesador programa DAC

Los datos que se ingresan al programa son: 1. Material del laminado: Fibra de Carbono + Epóxi AS4/3502 Fibra de Vidrio + Poliéster HEX 100G 2. Material del núcleo: Poliuretano de alta densidad PUR 40 3. Numero de sublaminados: Dos capas cada una de 1.25 mm 4. Orientación de las laminas: 0º, 90º, 45º, -45º 0º, 90º, 0º, 90º 5. Dimensiones del panel: Se toma la dimensión mayor que corresponde al panel 1 descrito en el apartado 9.2.1.1.1 6. Dimensión del núcleo: Espesor final de la espuma 60 mm 7. Carga aplicada: La resultante del análisis estructural Perpendicular al plano 8. Condiciones de apoyo Las especificadas en el apartado 9.4.3

1

2

3

4

6

5

7

8

Para el modelo, los datos45 que se ingresan son ciertos, la base de datos para materiales contiene los materiales especificados en el apartado 8.4.2 del presente documento. Modulo PLATES, cálculo (Procesador) El procesador controla los parámetros preestablecidos para el modelo. Para la solución final calcula la desviación en la primera y última lámina del laminado a partir de la aplicación de la carga de falla, de igual manera lo realiza en el núcleo; toma en cuenta el criterio máximo de tensión de esquileo para el análisis ínterlaminar. Las tensiones en el núcleo y el laminado se analizan matemáticamente y se demuestran luego gráficamente. De igual manera, se puede realizar un análisis de sensibilidad comparando las curvas de desviación y de fuerza contra el número de capas, orientación, carga, geometría, etc. Modulo PLATES, datos de salida (Pos-Procesador) Los datos que se pueden obtener al revisar los resultados son: Desviación en el plano para la primera y la última lámina. Coeficiente de seguridad para la primera y la última lámina. Esfuerzos en el plano: Plano x Plano y Cortante en el plano xy Esfuerzos interlaminares: Tensión en el plano xy Tensión en el plano yz Todos estos resultados pueden ser graficados como se observa en el Anexo 9 del presente documento, de igual manera se pueden obtener datos de costo final relacionando el valor del material y el valor de fabricación y de esta manera poder realizar un análisis de sensibilidad aproximado a la realidad.

45 Ver Anexo 9

9.4.3.1.1 Análisis comparativo46 Modelos 1 y 3 Para el presente modelo se considera una condición de apoyo de articulación-articulación en los extremos del panel de acuerdo a las condiciones exigidas por el programa en el panel de acceso de datos.

Tabla 6. Análisis comparativo Modelos 1 y 3 DAC

46 Para el análisis matemático, Ver Anexo 9

ANÁLISIS COMPARATIVOMODELO DAC

PANELES FRONTALES

MODELO 1LAMINA EN FIBRA DE

CARBONO + EPOXI TEJIDO UNIDIRECCIONAL

FPF 1,93E-03 X 4,88E-03LPF 1,96E-03 Y 4,88E-03PROMEDIO 1,95E-03 TOTAL 6,90E-03FPF 1,851E+01 X 1,85E+05LPF 1,850E+01 Y 1,85E+05

-1,010E+07ESFUERZO ADMISIBLE EN EL

PLANO M 7,93E+041,010E+07

-3,100E+063,100E+06

-2,850E+062,850E+060,000E+004,470E+020,000E+001,610E+03

MODELO 3LAMINA EN FIBRA DE VIDRIO

+ POLIESTER TEJIDO EQUILIBRADO

FPF 2,90E-03 X 4,88E-03 L panel (mt) = 1,220LPF 3,44E-03 Y 4,88E-03 H panel (mt) = 2,300PROMEDIO 3,17E-03 TOTAL 6,90E-03 e panel (mt) = 0,065FPF 8,024E+00 X 1,94E+05LPF 1,790E+01 Y 1,94E+05

-1,000E+07ESFUERZO ADMISIBLE EN EL

PLANO M 6,80E+041,000E+07

-3,280E+063,280E+06

-2,240E+062,240E+060,000E+004,560E+020,000E+001,660E+03

DESPLAZAMIENTO

COEFICIENTE SEGURIDAD

CONDICIONES DEL MODELO

COEFICIENTE SEGURIDAD CARGA TOTAL

DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

CARGA TOTAL

ESFUERZOS EN EL PLANOSIGMA 1

SIGMA 2

SIGMA 6

mt

mt

mt

AS4/3502 + PUR_40

HEX 100G + PUR_40

ESFUERZOS INTERLAMINARES

SIGMA 4

SIGMA 5

DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

Pa

SIGMA 2

SIGMA 6

Pa

mt

VALORES CONSTANTES

Pa

Pa

ESFUERZOS INTERLAMINARES

SIGMA 4Pa

SIGMA 5

ESFUERZOS EN EL PLANOSIGMA 1

Pa

L

H

Modelos 2 y 4 Las condiciones de apoyo manejadas para el modelo presente son de empotramiento y articulación considerando que la cinta de amarre sirve como apoyo por ser continua y estar apoyada sobre los conectores.

Tabla 7. Análisis comparativo Modelos 2 y 4 DAC

ANÁLISIS COMPARATIVOMODELO DAC

PANELES FRONTALES

MODELO 2LAMINA EN FIBRA DE

CARBONO + EPOXI TEJIDO UNIDIRECCIONAL

FPF 1,91E-03 X 4,88E-03LPF 1,94E-03 Y 4,88E-03PROMEDIO 1,92E-03 TOTAL 6,90E-03FPF 1,891E+01 X 1,85E+05LPF 1,894E+01 Y 1,85E+05

-8,190E+06ESFUERZO ADMISIBLE EN EL

PLANO M 7,93E+048,190E+06

-2,930E+062,930E+06

-2,580E+062,580E+060,000E+005,420E+020,000E+001,560E+03

MODELO 4LAMINA EN FIBRA DE VIDRIO

+ POLIESTER TEJIDO EQUILIBRADO

FPF 2,77E-03 X 4,88E-03 L panel (mt) = 1,220LPF 3,25E-03 Y 4,88E-03 H panel (mt) = 2,300PROMEDIO 3,01E-03 TOTAL 6,90E-03 e panel (mt) = 0,065FPF 7,057E+00 X 1,94E+05LPF 1,893E+01 Y 1,94E+05

-8,170E+06ESFUERZO ADMISIBLE EN EL

PLANO M 6,80E+048,170E+06

-3,270E+063,270E+06

-2,030E+062,030E+060,000E+006,670E+020,000E+001,550E+03

VALORES CONSTANTES

Pa

Pa

ESFUERZOS INTERLAMINARES

SIGMA 4Pa

SIGMA 5

ESFUERZOS EN EL PLANOSIGMA 1

PaSIGMA 2

SIGMA 6

Pa

mtmt

mt

AS4/3502 + PUR_40

HEX 100G + PUR_40

ESFUERZOS INTERLAMINARES

SIGMA 4

SIGMA 5

DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

Pa

COEFICIENTE SEGURIDAD CARGA TOTAL

DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

CARGA TOTAL

ESFUERZOS EN EL PLANOSIGMA 1

SIGMA 2

SIGMA 6

mtDESPLAZAMIENTO

COEFICIENTE SEGURIDAD

CONDICIONES DEL MODELO

L

H

9.4.3.2 Análisis ANSYS (Bidimensional) Para un Modelamiento en Elementos Finitos más preciso, se ha utilizado en segunda instancia el programa ANSYS versión 9.0 licenciada a la Facultad de Ingeniería en la Maestría de Materiales y Procesos. Ansys es una herramienta para modelado de problemas complejos de diferentes tipos de estructuras en elementos finitos. Ansys puede exhibir los resultados del análisis en una serie de gráficos de alta resolución que pueden ser cotejados con los resultados del modelo propuesto. Metodología de diseño Para los modelos propuestos en la presente tesis se emplea uno de los módulos componentes del programa, el PLANE4247. El método de elementos finitos es útil en la solución de armaduras y estructuras utilizando elementos LINK y BEAM; sin embargo, el verdadero potencial del método se explota con las aplicaciones en dos y tres dimensiones. Se debe resaltar sin embargo la importancia de planear adecuadamente el trabajo de modelamiento para representar los elementos bajo análisis, con el fin de limitar los posibles errores obtenidos en la solución. Modelamiento Como inicio para poder solucionar el problema se debe realizar un enmallado previo, el programa utilizado tiene una licencia para poder evaluar hasta 32.000 nodos, lo que limita la dimensión de la malla para el presente ejercicio. El modelamiento se realizo en dos dimensiones teniendo en cuenta que se empleaban dos materiales diferentes, la malla dibujada se definió a partir del espesor del laminado, 2.5 mm por cada cara para así lograr una distribución simétrica. En el modelamiento con elementos bidimensionales se involucran por lo general muchos más elementos y nodos que en los modelos con elementos unidimensionales. Por lo tanto, hay mayores fuentes de posibles errores de ejecución y de precisión numérica. Los errores de ejecución se producen por un modelo sin suficientes restricciones, definiciones inadecuadas de elementos, constantes, materiales, etc. Estos errores son previstos por el programa, y ocasionan un mensaje de error o de advertencia. Los errores de precisión numérica pueden producirse por tres causas: distorsión de los elementos, violaciones de compatibilidad de los elementos o matrices de rigidez mal condicionadas. Tres componentes básicos que se deben tener en cuenta en el manejo de ANSYS, el programa posee en preprocesador, el cual determina las condiciones del modelo; un procesador, el cual da la solución final y controla los parámetros de definición y por ultimo un posprocesador, el cual expide los resultados del modelo.

47 Ver Anexo 10

Lo primero que se involucra al programa es la geometría del modelo a partir de las condiciones definidas en el modulo PLANE42, después de esto las condiciones de material y los requisitos estáticos del modelo. Generación de los modelos Previo al análisis estático de cada uno de los modelos se realizar tres pasos importantes:

1. Enmallado del modelo, lo que garantiza una discretización del dominio.

2. Se definen los atributos para el enmallado, se ha seleccionado para el modelado una malla cuadrada.

3. Se garantiza la unión de los elementos teniendo en cuenta que para el modelo se trabal con tres áreas diferentes, sin embargo se mantiene la misma malla.

9.4.3.2.1 Alternativas 1 - 2 (Conector + tercio de panel) FIBRA DE CARBONO + EPOXI y núcleo PUR_40 FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER y núcleo PUR_40 CONDICIONES DE LOS MODELOS 1 - 3 El modelo se analiza bajo las siguientes condiciones:

1. Aplicación de cargas perpendiculares al plano 2. Restricciones de apoyo laterales 3. Evaluación de los desplazamientos 4. Análisis de esfuerzos en el laminado y en el panel

ARCHIVO DE DATOS Las condiciones estáticas definidas para los modelos 1 y 3 corresponden a las mismas condiciones planteadas para el programa DAC. APLICACIÓN DE CARGAS Para el modelo 1 se asume que la carga esta aplicada en el plano perpendicular al panel, para el análisis se realizo una simplificación y se determina una sección compuesta por el conector con una sección del panel a cada extremo. La sección en total tiene una longitud de 270 mm. por 65 mm., los valores de carga corresponden a los valores determinados en el análisis estructural.

MODELO ESTRUCTURAL 1/3 - Condiciones estáticas48

Ilustración 15. Vista de Planta modelo 1 (sección de panel - L/3 - y conector)

EVALUACION DE DESPLAZAMIENTOS Desplazamientos en los planos X y Y - Primera Condición de carga. Es determinante para la propuesta la evaluación de la relación carga-flecha para esta primera condición de carga, pues es imperioso verificar ante cargas perpendiculares, no solo que el panel este cumpliendo con la flecha permisible si no, de paso, verificar la condición de esbeltez del mismo. ANÁLISIS DE ESFUERZOS Muchos de los componentes estructurales en servicio, también los elementos fabricados con materiales compuestos, están sujetos a historias de carga que varían en el tiempo en forma cíclica. Esto provoca un proceso de deterioro progresivo de sus propiedades mecánicas. En consecuencia, las cargas con valores variables a lo largo del tiempo provocan fatiga sobre las piezas en servicio, lo que produce falla a valores de tensión inferiores a las fallas producidos en cargas constantes o estáticas. Para este modelo se han aplicado las cargas máximas de esfuerzo a las que estarán sometidos los paneles durante la vida útil con el fin de obtener un valor mas aproximado al comportamiento real de los elementos. Es de anotar que para el proyecto las simplificaciones son parte

48 Nota: el presente modelo se propuso teniendo en cuenta la capacidad de resolución de la versión del programa ANSYS con el cual se trabajo ya que esta solo puede procesar hasta 32000 nodos.

90 mm90 mm 90 mm

e 65

mm

Laminado Núcleo poliuretano PUR_40

Conector Sección de panel

característica para su análisis y no se han tenido en cuenta otros aspectos, como la fatiga, la relación ínterlaminar, etc., aspectos que ameritan otra investigación.

9.4.3.2.1.1 Análisis comparativo49 Modelos 1 y 3

Tabla 8. Análisis comparativo Modelos 1 y 3 ANSYS

49 Para el análisis matemático, Ver Anexo 11

ANÁLISIS COMPARATIVOMODELO ANSYS

CONDICIONES DEL MODELO

MODELO 1LAMINA EN FIBRA DE

CARBONO + EPOXI TEJIDO UNIDIRECCIONAL

X 6,47E-07 X 4,88E-03Y 3,10E-09 Y 4,88E-03TOTAL 5,90E-06 TOTAL 6,90E-03X 2,06E+05 X 1,85E+05Y 4,93E+04 Y 1,85E+05

MODELO 3LAMINA EN FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER

TEJIDO EQUILIBRADO

X 9,55E-07 X 4,88E-03Y 3,21E-09 Y 4,88E-03TOTAL 1,09E-04 TOTAL 6,90E-03X 4,22E+04 X 1,94E+05Y 4,56E+04 Y 1,94E+05

AS4/3502 + PUR_40

DESPLAZAMIENTO

ESFUERZO

DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

ESFUERZO ADMISIBLE

HEX 100G + PUR_40

DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

ESFUERZO ESFUERZO ADMISIBLE

L

9.4.3.3 Análisis ANSYS (Laminas) Metodología de diseño Para el modelado de las laminas se empleo el modulo SHELL6350. Los elementos SHELL encuentran gran aplicación en el modelamiento de estructuras hechas a partir de láminas o en elementos de pared delgada. Algunas variaciones de este elemento (SHELL91) pueden utilizarse para modelar varias capas de elementos delgados, como ocurre en el modelamiento de materiales compuestos. Modelamiento Para este modulo se siguen las condiciones estáticas y de material propuestas inicialmente, los valores requeridos son los mismos. El procedimiento de modelado sin embargo cambia, las constantes reales de los materiales son indispensables y es necesario modelar capa por capa del panel tipo sándwich. Es así, que para este modulo se introduce primero el laminado superior a continuación el núcleo y por último el laminado inferior. Es recomendable realizar un procedimiento de fusión y compresión de elementos antes de enmallar, debido a que al realizar un modelo pueden presentarse entidades duplicadas (una sobre otra), que pueden ocasionar problemas en el momento de realizar el enmallado. Lo primero que se involucra al programa es la geometría del modelo a partir de las condiciones definidas en el modulo SHEL63, después de esto las condiciones de material y los requisitos estáticos del modelo. Generación de los modelos Previo al análisis estático de cada uno de los modelos se realizar tres pasos importantes:

1. Enmallado del modelo, lo que garantiza una discretización del dominio.

2. Se definen los atributos para el enmallado, se ha seleccionado para el modelado una malla rectangular.

3. Se garantiza la unión de los elementos teniendo en cuenta que para el modelo se trabal con tres áreas diferentes, sin embargo se mantiene la misma malla.

50 Ver Anexo 10

9.4.3.3.1 Alternativas 1 - 2 (Panel completo + cargas combinadas) FIBRA DE CARBONO + EPOXI y núcleo PUR_40 FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER y núcleo PUR_40 CONDICIONES DEL MODELO El modelo se analiza bajo las siguientes condiciones:

1. Aplicación de cargas combinadas 2. Restricciones de apoyo laterales 3. Evaluación de los desplazamientos 4. Análisis de esfuerzos combinados

ARCHIVO DE DATOS Las condiciones estáticas definidas para los modelos 1 y 2 corresponden a las mismas condiciones planteadas para el programa DAC. APLICACIÓN DE CARGAS Para el modelo propuesto se realiza un análisis de cargas combinadas tanto en sentido paralelo al plano como en sentido perpendicular. Los resultados se evalúan contra los resultados obtenidos en el predimensionamiento y cálculo estructural previamente realizado. MODELO ESTRUCTURAL - Condiciones estáticas

Ilustración 16. Condiciones estáticas del panel

9.4.3.3.1.1 Análisis comparativo51 Paneles 1 y 2 Condiciones de Mallado y Carga distribuida por unidad de longitud

Ilustración 17. Condiciones de mallado y cargas en el panel

51 Para el análisis matemático, Ver Anexo 11

Tabla 9. Análisis comparativo Paneles 1 y 2 ANSYS

ANÁLISIS COMPARATIVOMODELO ANSYS

CONDICIONES DEL MODELO

PANEL 1LAMINA EN FIBRA DE

CARBONO + EPOXI TEJIDO UNIDIRECCIONAL

X 0,00E+00 X 4,88E-03Y 0,00E+00 Y 4,88E-03Z 5,59E-04 TOTAL 6,90E-03X 1,01E+03 X 1,01E+03Y 1,01E+03 Y 1,01E+03

PANEL 2 LAMINA EN FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER

TEJIDO EQUILIBRADO

X 0,00E+00 X 4,88E-03Y 0,00E+00 Y 4,88E-03Z 1,35E-03 TOTAL 6,90E-03X 1,11E+03 X 1,11E+03Y 1,11E+03 Y 1,11E+03

DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

ESFUERZO ESFUERZO ADMISIBLE

DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

ESFUERZO ADMISIBLE

HEX 100G + PUR_40

AS4/3502 + PUR_40

DESPLAZAMIENTO

ESFUERZO

9.4.3.3.2 Alternativas 1 - 2 (Panel completo + conectores) Metodología de diseño Para el modelado del panel completo se empleo el modulo PLANE4252. Este modelo se aplica a la condición estática mas critica definida en proyecto estructural (ver anexo 6, plano estructural). Modelamiento Como inicio para poder solucionar el problema se debe realizar un enmallado previo, el programa utilizado tiene una licencia para poder evaluar hasta 32.000 nodos, lo que limita la dimensión de la malla para el presente ejercicio. El modelamiento se realizo en dos dimensiones teniendo en cuenta que se empleaban dos materiales diferentes, la malla dibujada se definió a partir del espesor del laminado, 2.5 mm por cada cara para así lograr una distribución simétrica. En el modelamiento con elementos bidimensionales se involucran por lo general muchos más elementos y nodos que en los modelos con elementos unidimensionales. Por lo tanto, hay mayores fuentes de posibles errores de ejecución y de precisión numérica. Los errores de ejecución se producen por un modelo sin suficientes restricciones, definiciones inadecuadas de elementos, constantes, materiales, etc. Estos errores son previstos por el programa, y ocasionan un mensaje de error o de advertencia. Los errores de precisión numérica pueden producirse por tres causas: distorsión de los elementos, violaciones de compatibilidad de los elementos o matrices de rigidez mal condicionadas. Generación de los modelos Previo al análisis estático de cada uno de los modelos se realizar tres pasos importantes:

1. Enmallado del modelo, lo que garantiza una discretización del dominio.

2. Se definen los atributos para el enmallado, se ha seleccionado para el modelado una malla rectangular.

3. Se garantiza la unión de los elementos teniendo en cuenta que para el modelo se trabal con tres áreas diferentes, sin embargo se mantiene la misma malla.

52 Ver Anexo 10

FIBRA DE CARBONO + EPOXI y núcleo PUR_40 FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER y núcleo PUR_40 CONDICIONES DEL MODELO El modelo se analiza bajo las siguientes condiciones:

1. Aplicación de cargas perpendiculares al plano 2. Restricciones de apoyo laterales 3. Evaluación de los desplazamientos 4. Análisis de esfuerzos combinados

ARCHIVO DE DATOS Las condiciones estáticas definidas para los modelos 1 y 2 corresponden a las mismas condiciones planteadas para el programa DAC. APLICACIÓN DE CARGAS Para el modelo propuesto se realiza un análisis de carga en sentido perpendicular al plano del elemento. Los resultados se evalúan contra los resultados obtenidos en el predimensionamiento y cálculo estructural previamente realizado. 9.4.3.3.2.1 Análisis comparativo53 MODELO ESTRUCTURAL - Condiciones estáticas Ilustración 18. Condiciones de carga y apoyos en el panel

53 Para el análisis matemático, Ver Anexo 11

ANÁLISIS COMPARATIVOMODELO ANSYS

CONDICIONES DEL MODELO - PANEL/CONECTORES

PANEL 1LAMINA EN FIBRA DE

CARBONO + EPOXI TEJIDO UNIDIRECCIONAL

X 4,60E-07 X 4,88E-03Y 7,85E-05 Y 4,88E-03PROMEDIO 3,95E-05 TOTAL 6,90E-03X 5,65E+05 X 7,93E+04Y 1,45E+05 Y 7,93E+04

PANEL 2 LAMINA EN FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER

TEJIDO EQUILIBRADO

X 1,70E-06 X 4,88E-03Y 1,13E-04 Y 4,88E-03PROMEDIO 5,74E-05 TOTAL 6,90E-03X 2,29E+05 X 6,80E+04Y 1,35E+05 Y 6,80E+04

AS4/3502 + PUR_40

DESPLAZAMIENTO

ESFUERZO

DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

ESFUERZO ADMISIBLE

HEX 100G + PUR_40

DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO ADMISIBLE

ESFUERZO ESFUERZO ADMISIBLE

Tabla 10. Análisis comparativo Paneles 1 y 2 + Conectores ANSYS

9.5 Análisis de los modelos En este apartado se presentan las conclusiones que se derivan de los modelos matemáticos realizados durante la presente investigación. El objetivo principal de esta tesis es el estudio experimental de paneles estructurales utilizando fibras sintéticas y resinas al exterior y espumas de alta densidad al interior, determinando la capacidad portante última y el desplazamiento de los distintos modelos presentados, así como los distintos modos de fallo que se producen en función del refuerzo diseñado. El estudio experimental realizado ha permitido conocer los parámetros fundamentales que caracterizan los mecanismos que rigen el comportamiento hasta la deformación máxima de las estructuras reforzadas con materiales compuestos. Así, se dispone de información confiable, acerca de las características mecánicas, de la evolución de las reacciones ante distintas condiciones de apoyo, de las deformaciones en el laminado y el núcleo, de las flechas en el centro del panel y del comportamiento de las fibras utilizadas. Y todo ello, para validar un modelo propuesto, que hace que estos resultados sean aporte a confrontar una relación costo-beneficio con otro tipo de sistemas que usan materiales compuestos y que en la actualidad son aplicados a sistemas de solución de viviendas en Colombia. Queda demostrado, por lo menos teóricamente, que la aplicación de los materiales compuestos dentro de la Arquitectura es una realidad, realidad que puede ser fomentada en Colombia teniendo en cuenta que existen hoy en día, diseños de estructuras de sistemas de vivienda en diferentes países. De igual manera es claro, que este tipo de sistemas aventaja a cualquier sistema tradicional bajo condiciones de análisis estructural, ventajas que se podrían resumir como:

No se presentan problemas de corrosión, que afecten la adherencia entre el laminado externo y el núcleo.

No se manejan estructuras ni elementos de reparación pesados, lo que facilita la colocación de elementos auxiliares y en general, mejora la puesta en obra.

No es necesaria una superficie de adherencia perfectamente plana. Como es el caso de sistemas que emplean lamina metálica y en alguna medida también para el caso de las láminas rígidas de fibras sintéticas.

A nivel experimental, la combinación de fibras y espumas en sustitución de materiales convencionales para la generación de sistemas portantes en donde se tiene la posibilidad de alternar, en un solo componente, varios tipos de fibras y orientaciones de la misma, como método para incrementar la capacidad portante de un elemento estructural, presenta grandes ventajas en relación a las técnicas tradicionales, ya que ambas aunque respetan las características geométricas de la sección transversal del panel el empleando materiales compuestos, da lugar a una gran reducción de los medios auxiliares de puesta en obra. Metodología de modelamiento empleada: 1) Los datos obtenidos de la serie de modelos de caracterización de materiales han resultado esenciales para la determinación de los valores de deformación y esfuerzo último, así como también la técnica de aplicación y las características de las resinas, epóxica y de poliéster, empleadas en la presente investigación. 2) La disposición de los laminados y la orientación propuesta para cada uno de ellos, ha sido la adecuada, ya que han permitido la descripción del comportamiento ante esfuerzos y deformación de las estructuras estudiadas. 3) El desarrollo de cálculos preliminares tendientes a elaborar los ensayos es indispensable para el planteamiento correcto de la fase experimental (verificación de esfuerzo a compresión, flexión y corte). Gracias a la utilización de un modelo numérico se puede valorar previamente el comportamiento estructural y la magnitud de las fuerzas y esfuerzos actuantes sobre los modelos, permitiendo modelar el laminado en conjunto con el núcleo de tal manera que se pueda obtener un panel adecuado alcanzando datos fiables para compararlos con el análisis estructural previo.

9.5.1 Conclusiones específicas

9.5.1.1 Análisis modelos DAC Para el programa DAC se realizaron cuatro modelos los cuáles se describen a continuación: ALTERNATIVA 1 FIBRA DE CARBONO + EPOXI y núcleo PUR 40 Primer Modelo MODEL1FCE54 Para este modelo se tienen presentes: los materiales especificados en el apartado 8.4.2 y la primera condición de orientación de los laminados, condiciones que se especifican en el anexo correspondiente a este modelo.

9.5.1.1.1 Desviación (Flecha) El presente análisis hace énfasis en la flecha resultante obtenida en el modelo numérico la cual, luego se compara con la flecha admisible obtenida en el análisis estructural (ver 9.2.1.1.1). Para los modelos planteados en la presente investigación y analizados a partir del programa DAC, se determinan las siguientes condiciones para la definición de flecha resultante: a. La flecha obtenida mediante este programa, no se refiere a la flecha de la primera ni de la última lámina, se refiere a la flecha obtenida al romperse la primera lámina o cuando se rompe la última lámina. b. Primera o última lámina no refiere a la disposición espacial de las láminas, se refiere a la lámina que rompe primero o la lámina que rompe de último al aplicar la carga. Desviación (Flecha) para la primera lamina La flecha presentada para la primera lámina fue de 0.00193065 m y la flecha admisible según calculo es de 0.00488 m, lo que indica que el primer modelo ante deformada es valido. De la misma manera se observa que la deformada corresponde al 60.5% de la permisible, lo que haría posible disminuir el laminado y aumentar el núcleo.

54 Ver Anexo 9

Desviación (Flecha) para la última lámina Por otro lado, el resultado en la última lámina muestra una deformada 60.8% menor a la permisible, pues su valor, f = 0.00196203 es menor al de la flecha admisible. Por lo tanto ante desviación (flecha) el primer modelo es valido.

9.5.1.1.2 Coeficiente de seguridad Los siguientes datos muestran los valores definidos para la rotura de la primera y la última lámina (18.5063, 18.5027), de igual manera estos valores indican los coeficientes de seguridad del panel, si los valores tienen las siguientes características: < 1.0 el laminado se está rompiendo > 1.0 el laminado está soportando se puede concluir que para el modelo estudiado el diseño del material y la orientación de las láminas son las adecuadas, aunque los coeficientes de seguridad sean muy altos. Vale la pena aclarar que no existen datos estadísticos que limiten los coeficientes de seguridad a un valor determinado.

9.5.1.1.3 Esfuerzos en el plano La Figura 19 de manera gráfica y a modo de ejemplo indica los valores de esfuerzo máximo, tanto de tracción como de compresión en el centro de la placa, de igual manera presenta el valor del cortante máximo para el sistema; valores que pueden ser cotejados con los resultados obtenidos en el análisis estructural del modelo. ESFUERZO EN EL PLANO

Ilustración 19. Representación grafica de Esfuerzos en el plano de un panel tipo sándwich

El grafico presenta tres valores esenciales: Sigma 1 corresponde a los esfuerzos en el eje X, Sigma 2 corresponde a los esfuerzos en el eje Y, y Sigma 3 corresponde a los esfuerzos de cortante en el plano XY. De acuerdo a los datos registrados en la Tabla 7 el esfuerzo en el plano XY, el cual es el que interesa, esta por debajo del esfuerzo admisible lo que indica que el panel esta cumpliendo con las exigencias ante la solicitud de carga preestablecida.

9.5.1.1.4 Esfuerzos interlaminares Los datos obtenidos en este análisis presentan el comportamiento del panel ante exigencia de carga máxima. Se presentan dos valores: Sigma 4 corresponde a la cortadura en el plano XZ, Sigma 5 corresponde a la cortadura en e plano YZ. Para este análisis es claro que el panel esta sufriendo una cortadura antes de la aplicación de la fuerza máxima, aunque no es critico se podría solucionar adicionando fibras al borde e incluyendo en el análisis la cinta de amarre superior.

9.5.1.1.5 Variación por altura De acuerdo al proyecto propuesto y teniendo en cuenta que algunos paneles varían de altura para poder salvar la pendiente necesaria en la cubierta (ver corte transversal proyecto arquitectónico), el presente modelo muestra la variación de deformación del panel cuya medida promedio se fijo en 2.70 mt. El análisis se hace a partir de una discretización usando como parámetro la repetición a partir de puntos y tomando un valor de 10, aunque este valor podría ser mayor se considera que para el modelo es adecuado. Al igual que en el análisis anterior, para este modelo se evalúan las mismas condiciones de deformación y cortante en el plano, en este caso, de igual manera se deben cumplir las condiciones para flecha y esfuerzo admisible. En el modelo la deformación máxima a 2.70 mt cuyo valor es f = 0.00204451, esta por debajo del valor permisible, f = 0.00488 mt., en un 58.2%. Por lo que se concluye que el panel es el apropiado aunque seria posible disminuir el laminado y aumentar el núcleo en su espesor.

Segundo Modelo MODEL2FCE55 Para el segundo modelo se propuso la variación en el ángulo del laminado, es decir, en lugar de tener una orientación de láminas de 0º, 90º, 45º, -45º; se proponía una orientación de 0º, 90º, 0º, 90º; pero al obtener los datos en ningún caso variaron los resultados originales, lo que concluye que en un compuesto como el presente de fibras unidireccionales, al variar la orientación de la lamina en el laminado solo se están compensando esfuerzos sobre la misma. Sin embargo para este modelo se propone una variación en la restricción de los apoyos, vale la pena recordar que el primer modelo tiene restricciones de simplemente apoyado en los dos sentidos, para este modelo se propone empotramiento en el extremo inferior y los laterales se dejan simplemente apoyados. Después de comparar los resultados, para deformación, esta solo disminuyo en un 8.5% manteniendo las mismas condiciones de material y orientación del laminado. Por el contrario el coeficiente de rotura aumenta en un 8.0%, valor que es lógico si se tiene en cuenta que en el apoyo inferior se esta colocando un empotramiento lo que modifica el comportamiento estructural del elemento. Los esfuerzos para el interlaminado de igual manera están disminuyendo en un 8.0%. Si se promedian los valores, se esta concluyendo que las variaciones para deformación y esfuerzo al cambiar las condiciones de apoyo solo varían ±8.0%. ALTERNATIVA 2 FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER y núcleo PUR 40 Tercer Modelo MODEL3FVP56 Para este modelo se propone la variación de materiales sin llegar a cambiar las condiciones estáticas del sistema, los valores de carga y demás datos que se emplean son los que se obtuvieron mediante el análisis estructural. El proceso de análisis es exactamente igual a del modelo numero uno. Para deformación se obtiene un valor 67% mayor al del primer modelo, teniendo en cuenta que las condiciones estáticas del modelo no se han variado, es claro que el material del laminado de este tercer modelo no posee las condiciones de rigidez que presenta el primero sin embargo, sigue cumpliendo con las exigencias ante deformación pues la flecha resultante es aun menor que la flecha permisible.

55 Ver Anexo 9 56 Ver Anexo 9

El coeficiente de rotura, es decir el coeficiente de seguridad para el elemento disminuye a una tercera parte, sin embargo sigue estando por encima de uno, lo que nos indica que el elemento no sufrirá rotura. Los esfuerzos en el disminuyen de igual manera un 65% y el esfuerzo para el interlaminado un 58%. Al igual que en el modelo dos, si se hace un promedio de los valores obtenidos, el modelo tres aunque cumple con las exigencias de carga, esfuerzos y deformación, disminuye sus condiciones de exigencia en un 65%. En el análisis realizado por variación de altura, las condiciones de deformación ya no se cumplen, pues los valores arrojados por el programa son mayores a los valores de la flecha permisible. Que se debe hacer; primero, cambiar sentido del laminado, segundo, incrementar el refuerzo para esta lamina, es decir aumentar el porcentaje de fibra para obtener un mejor comportamiento. Cuarto Modelo MODEL4FVP57 Para el cuarto modelo, al igual que para el segundo modelo, se propuso la variación en el ángulo del laminado, es decir, en lugar de tener una orientación de láminas de 0º, 90º, 45º, -45º; se propone una orientación de 0º, 90º, 0º, 90º; al calcular el modelo, a diferencia del segundo caso, los datos variaron en sus resultados originales, lo que concluye que en un compuesto como el presente cuyas fibras son equilibradas, al variar la orientación de la lamina en el laminado se están mejorando esfuerzos sobre la misma. De igual manera, para este modelo se propone una variación en la restricción de los apoyos, vale la pena recordar que el primer modelo tiene restricciones de simplemente apoyado en los dos sentidos, para este modelo se propone empotramiento en el extremo inferior y los laterales se dejan simplemente apoyados. Después de comparar los resultados, para deformación, esta solo disminuyo en un 9.0% manteniendo las mismas condiciones de material y orientación del laminado. De igual manera el coeficiente de rotura disminuye en un 10.0%, valor que es lógico si se tiene en cuenta que en el apoyo inferior se esta colocando un empotramiento lo que modifica el comportamiento estructural del elemento pero teniendo en cuenta que el material posee mayor flexibilidad. Resultados diferentes se presentan en los esfuerzos para el plano y para el interlaminado estos por el contrario aumentan en porcentajes alrededor del 30%, valores que demuestran la flexibilidad del material y sugieren refuerzos en los bordes y cambio en el direccionamiento de las laminas de manera obligatoria.

57 Ver Anexo 9

9.5.1.2 Análisis modelos ANSYS Los métodos (DAC p.ej) que proporcionan una solución analítica al análisis de compuestos (o de elementos estructurales de material compuesto) sólo son aplicables a casos de poca complejidad geométrica con un comportamiento elástico lineal. Por lo tanto, se hace imprescindible disponer de herramientas de simulación numérica que permitan abordar la resolución de cualquier modelo matemático que describa el comportamiento de un material compuesto. Actualmente el método numérico más empleado en análisis estructural es el de los elementos finitos (MEF), método para el cual se han creado un sin numero de programas entre ellos el ANSYS, programa que se empleo para el presente análisis y cuya explicación se encuentra en el apartado 9.4.3.2. En el presente trabajo se intenta realizar una correlación entre los resultados analíticos y los experimentales, que, en gran medida, no posibilitan una solución suficientemente amplia. Además, la dificultad de simular el comportamiento de las no linealidades en materiales fuertemente anisotrópicos, como lo suelen ser los materiales compuestos, en algunos programas de modelación por elementos finitos; es la principal preocupación para los modelos estudiados en la presente propuesta. Sin embargo, los datos obtenidos a partir del análisis en el programa ANSYS, definen determinantes bastante aproximadas a los requerimientos que se proponen inicialmente para el proyecto de investigación.

9.5.1.2.1 Comparativo modelos 1 y 3 El análisis para estos dos modelos se basa en la aplicación de las dos alternativas expuestas en el apartado 9.2.1.1.2. Los valores determinantes para estos dos modelos se centran en la “deformación máxima resultante” 58 de acuerdo a los procedimientos exigidos por la NSR-98 y el valor del esfuerzo máximo resultante. De acuerdo a los resultados consignados en la Tabla 8, los valores correspondientes a los desplazamientos son menores que los admisibles y se encuentran en un rango de seguridad equivalente a los valores obtenidos en el análisis DAC. Para los esfuerzos, los obtenidos en el análisis ANSYS están un 50% por debajo del los esfuerzos admisible, con lo que se concluye que los paneles propuestos son los adecuados para el modelo estructural definido.

58 Ver Normas Colombianas de diseño y Construcción Sismo Resistente, NSR-98, Titulo A, Capitulo A.6, Numeral A.6.3

9.5.1.2.1.1 Valores obtenidos ALTERNATIVA 1 FIBRA DE CARBONO + EPOXI y núcleo PUR 40 Primer Modelo MODELO159 En el análisis de desplazamiento total del panel (grafica 3, Anexo 11), se observa que el comportamiento es similar al de una viga simplemente apoyada cuyas restricciones se limitan a articulaciones en los extremos es decir, la deformación máxima del sistema analizado la absorbe el conector central afectando en poca proporción los paneles adyacentes. Es claro que la incidencia de la deformación sobre el núcleo es máxima y esta, en el elemento es directamente proporcional a la rigidez de la espuma empleada en el mismo, pero es claro que la deformación esta más relacionada con la rigidez del material del laminado. Valores de Esfuerzo. En el análisis de los gráficos 5 y 7 del Anexo 11, se observa que la mayor concentración de esfuerzo se localiza en el laminado de contacto entre el panel y el conector. El valor obtenido para esta zona en el eje X es mayor al valor admisible, lo que indica, que es necesario reforzar con mayor fibra el borde del conector y de igual manera, observar el comportamiento del modelo con la cinta de amarre. Para el eje Y, aunque el mayor esfuerzo esta concentrado en la intersección del panel con el conector, el valor obtenido no es crítico y aplicando la solución propuesta para el eje X se puede disminuir aun más el esfuerzo resultante. La grafica 8 del Anexo 11, define la interacción conector-panel en donde se observa que el máximo esfuerzo esta localizado a 30 mm del borde exterior en el conector, esto nos indica que la zona a reforzar con fibra no ocupa la totalidad del espesor del mismo y no convierte en critico el elemento para su diseño. ALTERNATIVA 2 FIBRA DE VIDRIO + POLIESTER y núcleo PUR 40 Tercer Modelo MODELO360 A diferencia del análisis DAC, esta comparación relaciona directamente las condiciones de material para cada uno de los modelos teniendo presente que las condiciones estáticos son las mismas como se observa en la Tabla 8 En el análisis de desplazamiento total del panel (grafica 19, Anexo 11), se observa que aunque el comportamiento sigue siendo similar al del modelo 1 es decir, la

59 Ver Anexo 11 60 Ver Anexo 11

deformación máxima del sistema analizado de nuevo la absorbe el conector central afectando en poca proporción los paneles adyacentes. Se observa en este modelo que al afectar la condición de rigidez del material del laminado la deformación aumenta con una relación 5:1, esto es, si la rigidez es menor en el material del laminado, su deformación en promedio será de cinco veces mayor. Vale la pena aclarar que estos son los resultados para e presente modelo y no se pueden generalizar si no se tienen los datos estadísticos necesarios para una validación de los modelos. Valores de Esfuerzo. En el análisis de los gráficos 21 y 22 del Anexo 11, se observa que la mayor concentración de esfuerzo se localiza de nuevo en el laminado de contacto entre el panel y el conector. Aunque el valor obtenido para esta zona en el eje X ya no excede al valor admisible, se sigue observando una gran concentración de esfuerzos en el borde superior del conector lo que indica, que definitivamente es necesario reforzar con mayor fibra este borde y observar el comportamiento del modelo con la cinta de amarre. Para el eje Y, aunque el mayor esfuerzo esta concentrado en la intersección del panel con el conector, el valor obtenido no es crítico y es proporcional (relación 1:1) al valor obtenido en el eje X, finalmente, aplicando la solución propuesta para el eje X se puede disminuir aun más el esfuerzo resultante. Análisis de los paneles61 Los análisis por secciones como los planteados para los modelos 1 a 4 reflejan el comportamiento de los paneles ante cargas individuales. Para los modelos analizados, referencia [56], se calculo el panel con una sola combinación de cargas; cargas en el plano, paralelas y perpendiculares al mismo. Los datos obtenidos (ver Tabla 9) se mantiene dentro de los rangos previstos y muy aproximados a los valores resultantes ante cargas individuales, lo que daría como conclusión que los modelos empleados son validos para el presente análisis. De igual manera, el análisis para el panel y los conectores, datos resumidos en la Tabla 10, nos determina condiciones estables para el funcionamiento de los elementos propuestos en la presente investigación cumpliendo con las exigencias de carga y deformación propuestas para cada uno de los modelos.

61 Ver Anexo 11

9.5.1.3 Análisis comparativo El presente apartado relaciona los tres sistemas propuestos en los objetivos específicos con los modelos propuestos en la investigación solo en los aspectos estructurales. Se toma como base los resultados generados por estudios realizados por cada una de las compañías para certificar los modelos ante la NSR-98.

9.5.1.3.1 Sistema ROYALCO62 El sistema estructural de muros de la empresa ROYALCO (Royal de Colombia) está conformado por paneles de 64 mm de espesor los cuales se rellenan normalmente con concreto o mortero. Los módulos de 64 mm son de un piso de altura (2.0 m) y se ensamblan lateralmente hasta alcanzar la longitud deseada de muro. Igualmente los módulos pueden ensamblarse en esquinas para conformar espacios rectangulares de las dimensiones deseadas. Los paneles se rellenan normalmente con concreto o mortero y gracias a las perforaciones internas existentes, dicho material de relleno fluye lateralmente para rellenar en su totalidad el panel correspondiente. El sistema está anclado a una viga de cimentación en concreto reforzado mediante anclajes en barra de refuerzo corriente los cuales quedan embebidos en el panel mismo. En general se proponen disposiciones de anclajes de 3/8“ de diámetro espaciados cada 16 cm aproximadamente. El sistema es susceptible de reforzarse internamente y se recomienda en general la utilización de barras de refuerzo de diámetro 3/8” tanto verticalmente como horizontalmente. Es importante que el refuerzo horizontal sea continuo de muro a muro en las esquinas con el fin de aumentar la capacidad de la unión. Los espesores totales utilizados son de 64 mm y de 100 mm aunque en el estudio anexo se analizan únicamente los espesores de 64 mm. Considerando el espesor del PVC que funciona como formaleta que es de aproximadamente 1.8 a 2.0 mm, los espesores efectivos de los muros de concreto serían de aproximadamente de 60 mm para el caso del panel de 64 mm.

62 Ver Anexo 12

Con base en los ensayos y análisis realizados se pueden establecer las siguientes conclusiones:63 Todos los muros ensayados, considerando el tipo de refuerzo y las características dimensionales y de los materiales, fallaron por flexión con evidencias claras de fluencia y en algunos casos rotura del acero vertical en el plano de unión con la viga de cimentación. Considerando que ninguno de los muros presentó falla a cortante se puede concluir que la resistencia cortante promedio de los muros rellenos debe ser de al menos 9.6 kg/cm2 sobre el área neta mientras que para muros rellenos con mortero sería de al menos 10.3 kg/cm2. Debe considerarse que todos los muros completamente rellenos que fueron ensayados tenía refuerzo horizontal. El PVC de los muros parece tener un efecto importante en el comportamiento del elemento estructural ya que le proporciona confinamiento al concreto y aparentemente mejora su resistencia a la tensión disminuyendo simultáneamente la tendencia al agrietamiento por tensión. Esto incide tanto en la resistencia a la tensión como en la resistencia al cortante (tracción diagonal) del elemento. Así mismo y de acuerdo con los ensayos a compresión efectuados se estableció que el PVC aporta aproximadamente un 20% adicional a la resistencia a la compresión de los paneles. El PVC parece tener un efecto equivalente al del acero de refuerzo. De acuerdo con la referencia [4]64 el refuerzo proporcionado por el PVC Royal es equivalente a 2.13 cm2 de acero por metro lineal de muro. Así mismo, y nuevamente de acuerdo con el mismo estudio, el esfuerzo

63 Ver Anexo 12 64 Ver Anexo 12

9.5.1.3.2 Sistema SPEEDCO65 El sistema constructivo SpeedCo es un método industrializado de obra seca, que se fundamenta en la tecnología de producción de paneles prefabricados en poliuretano expandido y fibrocemento. La estructura de las edificaciones esta compuesta por perfiles de aluminio que se fijan a la cimentación mediante herrajes de rápida instalación. Sobre la perfilería se adecuan los paneles que constituyen las paredes de la construcción. El panel básico de THERMO WALL utilizado en el SISTEMA PREFABRICADO SPEEDCO DE SPEEDCO S.A. es un elemento compuesto por dos placas planas de fibrocemento ligadas por una placa de poliuretano rígido, espumado, mediante un proceso de inyección a presión hecho en fábrica , conformando una unidad compuesta, monolítica de 35 mm de espesor como medida estándar mínima. El espesor total puede variar aumentando el espesor del poliuretano, adecuándolo a las necesidades de aislamiento térmico, acústico o arquitectónicas. Los espesores comerciales de THERMO WALL que ofrece SPEEDCO S.A. son: 35 mm, 65 mm y 120 mm, sin que esto implique que no se puedan producir en espesores diferentes y aún mayores. Las dimensiones del panel THERMO WALL están limitadas a las dimensiones de fabricación de la placa plana de fibrocemento. Los equipos de producción de la placa de fibrocemento permiten las siguientes dimensiones: ancho hasta 1.20 mts., altura hasta 3.60 mts, espesor desde 4 mm. hasta 16 mm. Para el Sistema SPEEDCO de SPEEDCO S.A., se utilizará THERMO WALL de espesor mínimo 35 mm. La forma geométrica de los paneles al momento de la inyección del poliuretano, normalmente es rectangular y con sierra o disco de corte adecuado para el material, se puede dar cualquier forma y dimensión posteriormente.

65 Ver Anexo 12

9.5.1.3.3 Sistema METECNO66 El sistema constructivo Metecno es un método industrializado de obra seca, que se fundamenta en la tecnología de producción de paneles tipo sándwich prefabricados en poliuretano expandido y laminas de metal. La estructura de las edificaciones esta compuesta por perfiles metálicos o estructura metálica que se fijan a la cimentación mediante herrajes de rápida instalación. Sobre la perfilería se adecuan los paneles que constituyen las paredes de la construcción. Los paneles se encajan en el perfil metálico de base, y se unen lateralmente con parales metálicos de aluminio. Por la parte superior los paneles se encajan con un perfil metálico de aluminio.

66 Ver Anexo 12

10. ENSAYOS DE LABORATORIO Los resultados de laboratorio obtenidos para la presente investigación, son los resultados definidos bajo las siguientes determinantes:

1. Análisis de los materiales suministrados por ANDERCOL en la ciudad de Medellín, y que corresponden a los resultados del laminado en FIBRA de VIDRIO y POLIESTER.

2. Análisis de los materiales suministrados por SIKA ANDINA de COLOMBIA

en la ciudad de Bogotá, y que corresponden a los resultados de los laminados en FIBRA de VIDRIO y POLIESTER y FIBRA de CARBONO y EPOXI.

3. Los resultados para el núcleo en POLIURETANO de alta densidad son los

suministrados por el fabricante.

4. Los ensayos del panel no pudieron ser tabulados pues las condiciones en que se realizaron no fueron las que se proponen para la puesta en funcionamiento del material diseñado. Para los ensayos del panel es necesario utilizar los métodos de fabricación propuestos en el Anexo 2, fabricación que en proyectos individuales es muy costosa; sin embargo, se dejan expuestas nuevas líneas de investigación complementarias a la presente para la culminación y puesta en funcionamiento final de los materiales propuestos en el actual documento.

ANDERCOL LTDA. Fibra de vidrio M723X10S - MANTA PARA LAMINACIÓN MANUAL 1. DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO La manta M723X10S es un material de refuerzo obtenido de fibras de vidrio Advantex cortadas , aglutinadas unas a las otras a través de ligante especial con compatibilidad con resinas poliéster, vinílicas, poliuretano y epóxi. El vidrio Advantex combina las excelentes propiedades mecánicas y eléctricas del vidrio E con la resistencia a la corrosión de ácidos del vidrio E-CR, atendiendo a los requerimientos establecidos en las normas ISO 2078 y en la ASTM D578-98, tanto para el vidrio E como para el vidrio E-CR. Las fibras son cortadas y distribuidas de manera uniforme y aleatoria, originando, en el plano de las mantas, laminadas con propiedades isotrópicas. 2. APLICACIÓN Este producto fue desarrollado como refuerzo en la fabricación de piezas en el proceso de laminación manual (hand lay-up), en molde abierto, donde una mojada rápida, mínima absorción de resina y fácil conformación son considerados requisitos de gran importancia. 3. PRODUCTOS DISPONIBLES [*] a) Gramaje (g/m2) 225, 300, 450 y 600. b) Ancho 93 y 130 cm. [*] Productos con variaciones podrán ser producidos mediante previa consulta.

4. LIMITES DE ACEPTACIÓN DEL PRODUCTO Y MÉTODO DE ENSAYO

PPrrooppiieeddaaddeess

GGrraammaajjee DDee llaa EEssppeecciiffiiccaacciióónn MMééttooddoo

ddee MMaannttaa MMíínn.. NNoomm

.. MMááxx.. EEnnssaayyoo [[ 33 ]]

GGrraammaajjee -- ((gg//mm22 )) [[ 11 ]]

222255 330000 445500 660000

118800 224400 336600 448800

222255 330000 445500 660000

227700 336600 554400 772200

MMAA MMTT –– 000011

SSóólliiddooss ((%%)) [[ 22 ]]

222255 330000 445500 660000

44,,7755 33,,5500 22,,0000 22,,5500

55,,7755 44,,5500 33,,0000 33,,5500

66,,7755 55,,5500 44,,0000 44,,5500

MMAA MMTT –– 000022

TTrraacccciióónn ((kkggff // ppee22 ))

222255 330000 445500 660000

2200 2200 2255 2255

3300 3300 5500 6600

9900 9900 9900

112200

MMAA MMTT -- 000044

[1] Gramaje incluye vidrio y ligante [2] La % sólidos incluye esencialmente el ligante de la manta y el binder de la hebra. [3] Disponible cuando es solicitado 5. CRITERIO DE ACEPTACIÓN O RECHAZO Los muestreos estadísticos para todas las propiedades del producto deben ser obtenidos conforme especificados en el Procedimiento de inspección de productos en proceso - Línea de Mantas (EPR 824 - 02). Certificados de análisis o certificado de conformidad de los productos podrán ser suministrados cuando sean solicitados en los pedidos de compras.

Resina de Poliéster CRISTALÁN 809 CARACTERÍSTICAS El CRISTALÀN 809 reduce el tiempo de impregnación de la fibra de vidrio en un 15 a 20%. Debido a la facilidad de impregnación del refuerzo, es muy apropiado para la fabricación de laminados con alto contenido de vidrio, o para la construcción de laminados gruesos, en los que se emplea tela mat o roving tejido de alta densidad (1.200 g/m2). La menor temperatura exotérmica de CRISTALÀN 809 permite la aplicación de varias capas consecutivas de resinas y refuerzo dando en consecuencia una rata de producción mayor y un menor tiempo de rotación de los moldes. 1. Formulación Para curado en frío se recomienda la formula siguiente: Materiales Partes por peso CRISTALÀN 809 100 MEK peróxido (9% ox. activo) 1 a 2.5 Obsérvese que la resina sólo requiere la adición del catalizador (MEK peróxido) para iniciar el curado, puesto que viene preacelerada. 2. Curado La temperatura ambiente y la cantidad de catalizador controlan el tiempo de gel de la resina. El curado nunca se debe realizar a temperaturas inferiores a 15ºC porque no se alcanzan buenas propiedades mecánicas en el laminado. Con el curado a temperatura ambiente se obtienen laminados satisfactorios para muchas aplicaciones. Sin embargo, cuando se requieren óptimas propiedades y buen desempeño a largo plazo, el laminado se debe postcurar durante un período de 3 horas a 80ºC o por más tiempo a menor temperatura. 3. Aditivos especiales El CRISTALÁN 809 se puede pigmentar hasta con 5% (por peso) de nuestras pastas pigmentadas CRISTACOLOR�. Si se desea agregar “pasta retardante al fuego” (31190) o carga, debe tenerse en cuenta que se pueden afectar adversamente las características especiales de manejo de la resina.

ESPECIFICACIONES CRISTALÁN 809 Características Valor Método andercol N° Apariencia Rosada turbia IT-1.01

Valor ácido 32 máximo IT-1.14

Viscosidad Brookfield (cps), 25ºC IT-1.06

(Aguja 2, 20 r.p.m., 5 minutos) 1100 - 1300

(Aguja 2, 20 r.p.m., 10 minutos) 490 - 710

(Aguja 2, 2 r.p.m., 5 minutos) 1010 - 1290

% Sólidos 58 - 62 IT-1.11

Tiempo de gel (minutos), 25°C * 9 - 12 IT-3.04

Reactividad: IT-3.04

Temperatura de exotermía (°C) 145 - 165

Tiempo de exotermía (minutos) 20 - 26

Molienda 5 mínimo IT-1.04

* Tiempo de gel: 100 gramos de CRISTALÁN 809. 1 ml de MEK-peróxido.

Propiedades típicas del CRISTALÁN 809 curado (sin reforzar) (1)

(1) El ciclo de curado fue: 24 horas a 20°C, 3 horas a 70°C, excepto para determinar la temperatura de deflexión, donde el ciclo fue: 24 horas a 70°C, 3 horas a 80°C. Métodos de prueba según BS 2782: 1976. (2) Resina filtrada, vaciado libre de vacíos. (3) 1 MPa = 1MN/M2 = 1N/mm2 - 145 Psi. 1GPa = 1.000 MPa Propiedades típicas de un laminado de CRISTALÁN 809 con tela mat (1).

(1) Con 2 capas de mat de 450 g/m2 Métodos de prueba según BS 2782: 1976.

Dureza Barcol (modelo GYZJ -934-1) 46

Absorción de agua (24 horas a 23°C) 15mg

Temperatura deflexión bajo carga (1.80MPa) 66°C

Gravedad específica, 25°C 1.20

Elongación en la ruptura (2) 2.9%

Esfuerzo tensil 64MPa (3)

Modulo tensil 3.4GPa

Encogimiento volumétrico 10%

Propiedades Laminado control

Contenido de vidrio % 30

Resistencia a tensión MPa 90

Módulo tensil GPa 8,3

Resistencia a flexión, MPa 165

Módulo de deflexión GPa 5.6

Elongación en ruptura % 1,42

SIKA ANDINA DE COLOMBIA Tejidos en fibras de vidrio para reforzamiento estructural SikaWrap Hex 100G DESCRIPCION El SikaWrap Hex 100G es un tejido de fibras de vidrio unidireccionales. El material es saturado en obra usando el sistema epóxico SikaDur Hex 300 o SikaDur Hex 306 para conformar un sistema de polímero reforzado con Fibras de Vidrio (GFRP), usado para el reforzamiento de elementos estructurales. DATOS TECNICOS PROPIEDADES DE LA LÁMINA CURADA • Resistencia a tensión 87,000 psi (600 N/mm2) • Módulo de elasticidad 3,79 x 106 psi (26131 N/mm2) • Elongación a la rotura 2,24 % • Espesor 1 mm PROPIEDADES DE LA FIBRA • Dirección de la fibra 0° (unidireccional) • Peso por metro cuadrado 910 g • Resistencia por cm de ancho 610 Kg • Resistencia a tensión 330,000 psi (2275 N/mm2) • Módulo de tensión 10,5 x 106 psi (72400 N/mm2) • Elongación 3,1% • Densidad 2,54 g/cc • Espesor 0,0357 cm

Tejidos en fibras de carbono para reforzamiento estructural SikaWrap Hex 103C DESCRIPCION El SikaWrap Hex 103C es un tejido de fibras de carbono unidireccionales, de alta resistencia y alto módulo. El material es saturado en obra usando el sistema epóxico SikaDur Hex 300 o SikaDur Hex 306 para conformar un sistema de Fibras de Carbono Reforzado con Polímeros (CFRP), usado para el reforzamiento de elementos estructurales. DATOS TECNICOS PROPIEDADES DE LA LÁMINA CURADA • Resistencia a tensión 139,000 psi (960 N/mm2) • Módulo de elasticidad 10,6 x 106 psi (73100 N/mm2) • Elongación a la rotura 1,33 % • Espesor 1 mm PROPIEDADES DE LA FIBRA • Dirección de la fibra 0° (unidireccional) • Peso por metro cuadrado 610 g • Resistencia por cm de ancho 970 Kg • Resistencia a tensión 500,000 psi (3450 N/mm2) • Módulo de tensión 34 x 106 psi (234400 N/mm2) • Elongación 1,5 % • Densidad 1,80 g/cc • Espesor 0,034 cm

Resina de impregnación para tejidos de refuerzo Sikadur 330 DATOS TECNICOS DATOS TIPICOS PARA SIKADUR 330 • Color mezcla Gris claro Componente A Blanco Componente B Gris • Relación de mezcla A : B = 4 : 1 en peso • Temperatura de aplicación +10°C a +35°C • Temperatura de servicio: -40°C a +50°C • Densidad mezcla 1,31 kg/lt • Vida en el recipiente (5Kg) 30 minutos (a +35ºC) 90 minutos (a +10ºC) • Tiempo abierto 30 minutos (a +35ºC) • Viscosidad Pastosa, no fluido • Resistencia de adherencia Falla del concreto después sobre concreto (EN 24624) de un día, con superficie preparada (> 10°C) • Resistencia a tensión 30 N/mm2 , 7 dias a +23°C (DIN 53455) • Módulo a flexión 3800 N/mm2 , 7 dias a +23°C (ISO 178) • Módulo a tensión 4500 N/mm2 , 7 dias a +23°C (DIN 53455) • Elongación a la rotura 0,9%, 7 dias a +23°C • Temperatura de deflexión (HDT) Curado HDT (ASTM D 648) 7d, +10 ºC +36 ºC 7d, +23 ºC +47 ºC 7d, +35 ºC +53 ºC 7d, +10 ºC y 7d, +23 ºC +43 ºC

Espuma de poliuretano PUR_40 CARACTERISTICAS TÉCNICAS • Plástico celular con una densidad media de 40 Kg/M3 y una estructura interna de 90% de celdas cerradas, conforme a la norma ASTM-D-1622. • Auto extinguible: Debido a que incluye en su formulación un retardante contra el fuego, conforme a la norma ASTM-D-1692. • Conductividad Térmica: K = 0.132 BTU´s-Pulg./(Hr.)(pie2)( ºF) a una temperatura de 75 °F (24ºC), conforme a la norma ASTM-C-518. • Absorción de Agua: 0.03 Lbs. /Pie2 ó 0.0014 Kg.Dm2. • Transmisión de vapor de agua: 2 Perms (promedio), un PERM es una unidad que equivale a: un grano de vapor de Agua/ (Pie2) (Hr.) (Pulg. de mercurio) (Una libra de vapor de agua es igual a 7,000 granos). • Resistencia a la difusión de vapor de agua: Forma una película de protección compacta que dificulta la penetración de vapor de agua. • Resistencia a la intemperie: Resistencia a las influencias atmosféricas (la luz solar y la lluvia producen únicamente una alteración del color de la superficie expuesta, tornándose ésta ligeramente quebradiza). • Resistencia a los productos químicos: Excelente resistencia al agua, agua de mar, vapores de ácidos, a la mayoría de los solventes, hidrocarburos y aceites minerales. • Estabilidad Dimensional: 10% Vol. (máximo) a 70 ºC y 100% HR. 5% Vol. (máximo) a 70 ºC y 45-50% HR. ambiente. • Propiedades Mecánicas: Esfuerzo de compresión = 1.0 Kg. /cm2. • Esfuerzo de tensión = 1.4 Kg. /cm2. • Temperaturas de servicio: Mínima- 40 ºC, (dependiendo del espesor del panel) Máxima + 80 ºC

11. RELACIÓN COSTO-BENEFICIO

11.1 El uso y la construcción del espacio en la vivienda

11.1.1 Vivienda industrializada: una hipótesis de desarrollo. Relación costo beneficio

LAS MÁS RECIENTES EXPRESIONES DE LA INDUSTRIALIZACIÓN EN LOS PAÍSES DESARROLLADOS, COMO POR EJEMPLO, LA ROBÓTICA, OBLIGA A ANALIZAR EL ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN Y SU IMPACTO EN LOS SECTORES ECONÓMICO Y SOCIAL DEL PAÍS. LA INDUSTRIALIZACIÓN APORTARÍA CIERTAS VENTAJAS, ADEMÁS DE PERMITIR IMPORTANTES ECONOMÍAS DE ESCALA, QUE EN UN PLAN GENERAL DE VIVIENDAS, SUPLIRÍAN UN DÉFICIT PARA UN GRUPO SOCIAL QUE SE ENCUENTRA BAJO LOS NIVELES DE DEMANDA ACTUAL. SE PROPONE AQUÍ UNA VISIÓN INTEGRAL PARA UN TEMA RECURRENTE. MARÍA EUGENIA PALLARÉS - MARCELO VALENZUELA V.

Conocemos como construcción tradicional a la obra realizada "in situ", es decir que es una construcción que se realiza parte por parte en el lugar previsto para su erección. En cambio construcción industrializada es la que se realiza previamente en el taller o la fábrica, mediante paneles o bastidores preelaborados que se irán armando en obra a través de fijaciones o encajes y, por lo general, sobre una placa de hormigón armado previamente ejecutada. Cuál elegir: Esa es una pregunta que habitualmente hace el cliente. Para ello habrá que analizar ciertas circunstancias que rodean a la obra en construcción. En primer lugar deberíamos analizar el tiempo de ejecución de la obra, el sistema constructivo, la tecnología a instalar, el diseño de la vivienda, el lugar elegido para su erección, el personal que ejecutará la obra, etc. y por sobre todas las cosas el costo de la misma. Se entiende que en esta época los costos entre un sistema y otro no difieren demasiado en nuestro país, pues hasta que los sistemas industrializados no se fabriquen en serie y en cantidad, sus costos no disminuirán. Corresponde entonces dedicarnos a las otras circunstancias.

El diseño: Este es un tema muy importante a tener en cuenta pues los sistemas industrializados son más efectivos cuanto más sencillo es el proyecto. Todo dependerá de la habilidad del proyectista y del fabricante, pero la realidad demuestra que los detalles constructivos muy elaborados tienden a entorpecer la normal erección de las viviendas. Demás está decir que un diseño sencillo austero es desde el punto de vista estético más armonioso. Al respecto y como ejemplo basta con citar proyectos donde se ha previsto una cubierta con encuentros de diferentes tipos y dificultades. Un sistema preelaborado tiene que estar muy bien armado para que las piezas correspondientes a esa cubierta puedan colocarse adecuadamente en obra. El sistema tradicional en ese sentido permite ir corrigiendo los errores de ejecución a medida que se va levantando la vivienda. No obstante ello no escapa a mi conocimiento que existen excelentes sistemas industrializados, convenientemente racionalizados que minimizan ese riesgo. Tecnología: Sabido es que la tecnología en una vivienda puede determinar el nivel de confort de la misma. Los sistemas constructivos industrializados han avanzado mucho en ese sentido. Así es posible colocar rendidores sistemas de calefacción y refrigeración, pensar en sencillos sistemas de aislamiento térmico y acústico y facilitar el tendido de instalaciones en general. Esa tecnología es más difícil de proyectar en una vivienda con muros tradicionales (ladrillo común). Sumado a ello es también interesante acotar que en un sistema industrializado bien elaborado ya no hay que pensar más en capas aisladoras, complicadas roturas de paredes por deterioro de tuberías, inconvenientes en el momento de la colocación de aberturas e instalaciones, etc. Debe agregarse también que los materiales que conforman un sistema industrializado son más livianos que los de un sistema tradicional. Aquí hay un viejo mito que correspondería desterrar, el hecho de ser materiales livianos no implica debilidad. Las últimas investigaciones en cuanto a resistencia de materiales han probado que algunos materiales livianos tienen más resistencia que los pesados y más aún si son usados en forma determinada. Tiempo de Ejecución: Un tema a tener en cuenta si se quiere habitar rápido la nueva vivienda. Los sistemas industrializados, según publicitan sus fabricantes pueden erigirse en 60 o 90 días. La experiencia indica que una vivienda de construcción tradicional, de unos 100 m2 aproximadamente, con tecnología de avanzada, demanda más de seis meses de ejecución. Además, si se ha obtenido un préstamo que debe empezar a pagar en corto plazo, desde el punto de vista financiero es más ventajoso terminar cuanto antes la vivienda. Es importante señalar que la obra debe estar convenientemente organizada, a fin de optimizar los tiempos de ejecución de las diferentes tareas. Seguramente aquí también, la idoneidad del diseñador como del director de obra, tornarán eficiente la marcha de la misma, con lo que las diferencias arriba citadas seguramente se estrecharán. Mano de obra: Otro tema importante. Se sabe que la buena mano de obra en este país en el rubro de la construcción no abunda o es cara. La construcción industrializada requiere de mano de obra adiestrada al efecto. Quizás en ese

aspecto es más sencillo construir tradicionalmente, por lo menos hasta hoy. En el rubro de la construcción tradicional todavía hay buenos mamposteros, estructureros y carpinteros de obra. Todo está condicionado - claro - a obtener su contratación. Lugar de erección de la vivienda: No es lo mismo levantar una vivienda en la zona de la Costa Atlántica que en la zona Cundíboyacense. Hay condiciones climáticas y geográficas que influyen en el sistema constructivo a elegir. Las distancias a los centros de aprovisionamiento de materiales también influyen en ese aspecto. En este sentido, el sistema industrializado gana por lejos. Todas las partes que conforman la vivienda son transportadas hasta el lugar elegido y allí se realiza el armado correspondiente. La previsión en este aspecto juega un papel fundamental. Imagínese usted haber hecho un viaje de miles de kilómetros con el Kit de construcción y recordar en el momento de su armado no haber llevado - p.ej. - tornillos de fijación suficientes. Conclusión: Un sistema y otro tienen ventajas a la hora de decidir la ejecución de la obra. Para la presente propuesta, se tomaran todos los aspectos de la prefabricación que aporten al empleo de los materiales compuestos, determinantes específicas para su desarrollo. La aplicación se centrara en los elementos estructurales principales, paneles, de igual manera en los sistemas de conexión para estos elementos.

11.1.2 Evaluación de las alternativas El costo de fabricación de los materiales compuestos es superior al de los materiales tradicionales como el acero, la madera o el aluminio (de 3 Euros a 38 Euros/kg, según las prestaciones requeridas para los materiales compuestos, entre 1,5 Euros y 5 Euros/kg para los materiales tradicionales)67. Sin embargo, ahorrando piezas de conexión y empleando sistemas industrializados, reduciendo de manera importante los gastos de mantenimiento y aumentando la vida útil y la seguridad, las ventajas de los materiales compuestos pueden valorizarse en términos de costo-beneficio. A continuación se presentan tres tablas (tablas 10, 11, 12, 13) en las cuales, las dos primeras evalúan las propiedades de los materiales compuestos utilizados en la presente investigación desde los aspectos mecánicos, su costo y las soluciones propuestas a las fallas descritas en el capitulo 9, la tercera y cuarta tabla hacen referencia al análisis comparativo de las dos alternativas propuestas con los sistemas definidos en los objetivos específicos y definen cuales son las particularidades para cada una. Las conclusiones pueden ser leídas en el capitulo 12 del presente documento.

67 CHALAYÉ, H. (2002). Oficina Nacional de Estudios e Investigaciones Aeroespaciales. Sessi Digitip.(158)

12. CONCLUSIONES Las propiedades estructurales efectivas obtenidas en el material estructural propuesto son finalmente la sumatoria de contribuciones de sus diferentes componentes y de su configuración. De forma que las propiedades mecánicas del material compuesto final dependen en parte tanto de las propiedades individuales de los componentes como de la disposición geométrica de estos. Los modelos propuestos cumplen con las condiciones de carga impuestas en la presente investigación, aunque no fueron expuestos a los límites máximos, las disposiciones de caracterización del material son las adecuadas. Después de evaluados económicamente los modelos, es clara la diferencia en los valores finales por metro cuadrado, aunque la relación sea 1:7 teniendo como primera propuesta en menor valor la alternativa 2 (Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo en PUR_40), es evidente que aspectos tan importantes como la seguridad se sacrifican por el precio. Es concluyente que si es posible realizar sistemas estructurales empleando nuevos materiales, aunque a pesar de las cualidades de menores pesos y diseño de las propiedades del mismo, el costo unitario de estos continué siendo el principal inconveniente para una mayor utilización. Sin embargo, Una de las ventajas más importantes de los materiales compuestos es, que el alto costo de las materias primas se compensa con el bajo costo del equipo y mano de obra en el proceso de preparación, ensamblado, y aplicación de los materiales compuestos directamente en los elementos estructurales propuestos (paneles para este caso).

13. ANEXOS

ANEXO 1. Nuevos materiales, los más representativos - plásticos El hombre siempre ha utilizado una gran variedad de materiales. Al principio, los buscaba en la naturaleza y desarrollaba métodos para extraerlos y purificarlos. Actualmente, con el desarrollo tecnológico es posible fabricar materiales a medida, es decir acorde con las necesidades del momento. También se habla de materiales inteligentes, por ejemplo cementos que incluyen un pegamento que se libera cuando una pieza de este material se quiebra. Todo este desarrollo viene acompañado por algunos problemas ambientales, como por ejemplo la contaminación y el agotamiento de los recursos naturales. Es por esto que se buscan fuentes renovables de materias primas y productos biodegradables. Los plásticos son un buen ejemplo de los nuevos materiales. Propiedades Los plásticos son materiales con gran resistencia mecánica, de alta densidad y malos conductores de la electricidad y del calor. Éstas son propiedades excelentes para utilizarlos como aislantes térmicos y eléctricos. También presentan una buena resistencia a los ácidos, álcalis y solventes. Algunas de estas propiedades, como el comportamiento frente al calor, dependen de la forma en que se disponen las moléculas en el espacio. Es por ello que podemos definir dos sistemas: Sistemas Termoplásticos: Producen una película adecuada por simples fenómenos de cohesión entre las macromoléculas que conforman el vehículo. Siempre se parte del sistema en el estado fluido, ya sea en forma de una solución o de dispersión en un medio líquido adecuado Si la composición se encuentra en un medio solvente o soporte, la condición previa a la formación de la película, es que una vez aplicado el recubrimiento, dicho medio desaparezca (se evapore). A medida que el líquido se va haciendo mas concentrado en polímero (proceso de secado), se ponen de manifiesto las fuerzas de cohesión entre sus moléculas (desapareciendo las interacciones polímero-solvente) lo que finalmente llevará a la formación de la película terminada.

Durante todo este proceso no hay formación de uniones químicas permanentes entre las cadenas poliméricas. Sólo la energía cohesiva (uniones secundarias débiles) es la que mantiene a las macromoléculas unidas. El agregado de un buen solvente producirá nuevamente la ruptura de las débiles uniones intermoleculares, llevando nuevamente a la solución original. La aplicación de calor producirá, una vez superado un cierto umbral térmico, el suficiente movimiento molecular como para contrarrestar la energía cohesiva, logrando que el polímero vuelva a ser fluido (fusión).

Figura 1.1 Ejemplos: polietileno, polipropileno, PVC, poliestireno (telgopor), nylon, acrílico.68 Sistemas Termoestables: Alcanzan las propiedades finales a través de fenómenos complejos donde intervienen reacciones químicas intermoleculares. Al igual que en los termoplásticos, la etapa inicial está definida por la aplicación de un sistema líquido ya sea en solución, dispersión o emulsión y el pasaje del estado líquido al semisólido o sólido por evaporación de solvente. Los sistemas poliméricos que producen películas termoestables, a la inversa que en los termoplásticos, tienen la capacidad de reaccionar químicamente entre sí. Esta reacción se da entre moléculas de polímeros similares o entre polímeros diferentes con grupos reactivos complementarios. En todos los casos se establecen fuertes uniones químicas permanentes (primarias) que evitan que el sistema revierta al estado original por agregado de solventes o aplicación de calor. La posibilidad de cada macromolécula de establecer múltiples puntos de reacción debido a la presencia de más de un grupo reactivo por molécula (funcionalidad) genera la formación de estructuras tridimensionales con alto grado de entrecruzamiento. Esta configuración es responsable de una gran rigidez (capacidad de oponerse a la deformación) y alta densidad de entrecruzamiento lo que aumenta aún mas la inercia frente a la temperatura o a la acción de los solventes.

68 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina

Dentro de los sistemas termoestables, curados a temperatura ambiente hay una variada gama y se pueden establecer sub-clasificaciones según las características de los mecanismos por ejemplo: Curados a través de uniones dobles y que reaccionan frente a la presencia de radicales libres que se generan por diferentes mecanismos Figura 1.2 Ejemplos: resinas fenolformaldehido, resinas epóxi, resinas poliéster.69 Definición Los plásticos deben su nombre a su plasticidad, es decir a la capacidad de deformarse hasta adquirir la forma deseada. Son materiales constituidos por polímeros que son moléculas gigantes formadas por la unión de muchas moléculas pequeñas, como eslabones de una cadena, cada una de las cuales se denomina monómero. En los plásticos, el número de monómeros puede oscilar entre 1.000 a 50.000 unidades. Figura1.3 Diagrama de un plástico con modelos moleculares70 Como los monómeros que forman los plásticos están formados por átomos de carbono, se los denomina polímeros orgánicos. El polímero (resina o vehículo), lleva sobre sí la responsabilidad de formar una película sólida, adherente, plástica, tenaz y resistente a diversas agresiones físicas y químicas. Esta película incluye en su matriz al resto de los materiales que en conjunto constituyen el recubrimiento. La capacidad de formar una película útil desde el punto de vista de la aplicación y comportamiento del recubrimiento se denomina "Poder Filmógeno del Polímero".

69 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina 70 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina

Las características capitales del polímero, que comprometen su capacidad como formador de película, son: Composición monomérica. El tipo de monómero utilizado determina las características físicas y químicas primarias de la película. Figura 1.4 Representación de un polímero como eslabones de una cadena71 Funcionalidad. La cantidad de grupos reactivos que los monómeros pongan en juego en la formación de la estructura polimérica, establecerá la posibilidad de obtener un polímero lineal, ramificado o con capacidad de entrecruzamiento Peso molecular. El tipo de monómero, su funcionalidad, las relaciones moleculares en que participan en la composición, determinan el grado de polimerización y por ende el peso molecular de la macromolécula. Las mejores propiedades en cuanto a las resistencias físicas y químicas de un polímero se alcanzan a valores muy altos de peso molecular. Existen dos posibilidades de obtener altos pesos moleculares compatibles con el uso en recubrimientos: A.- Partir de macromoléculas ya formadas con alto grado de polimerización. El peso molecular es elevado y se deben controlar fenómenos de viscosidad mediante el uso de disolventes o técnicas de dispersión en medios líquidos adecuados. B.- Los productos de partida son tratados como precursores y alcanzan pesos moleculares elevados por reacción entre los mismos en determinadas condiciones de temperatura, catálisis, etc. Los plásticos se pueden obtener a partir de: MATERIAS PRIMAS NO RENOVABLES Combustibles fósiles El petróleo es un combustible fósil. Los combustibles fósiles son hidrocarburos que se han formado a partir de restos de seres vivos. En general, son utilizados como fuentes de energía directamente o luego de un proceso de refinamiento. Algunos de los hidrocarburos derivados del refinamiento del petróleo pueden ser transformados en moléculas más pequeñas mediante un proceso denominado

71 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina

MONOMERO

DIMERO

TRIMERO

POLIMERO

craqueo. En este proceso se comienza con un alcano y se le aplica calor. Como productos, se obtienen alcanos con menor número de átomos de carbono que el compuesto de partida, y alquenos. Estos últimos son utilizados como monómeros para fabricar polímeros. La presencia del doble enlace entre carbonos permite que las moléculas se unan entre sí formando largas cadenas (ver figura 1.5) mediante reacciones de adición. Figura 1.5 Alcano, unión C-C simple Esquema del craqueo de un hidrocarburo presente en el aceite diesel Figura 1.6 Combustibles fósiles72 Plumas El exceso de plumas derivado del consumo de productos avícolas puede ser aprovechado mediante el uso de la queratina, su principal proteína. La queratina puede ser extraída en forma de polvo con el que se fabrican relleno para pañales, toallas de papel y filtros de agua. Si se mezcla esta proteína con un agente reductor y se aplica presión, se obtienen películas finas de un plástico biodegradable. Por ejemplo, los envoltorios de algunos caramelos están fabricados con este material. El polvo de queratina puede ser utilizado también como aditivo en la fabricación de otros plásticos en reemplazo de la fibra de vidrio, que no es biodegradable. Combinando el polvo de queratina (figura 1.7) con polietileno se puede producir un plástico más rígido, adecuado para la fabricación de ciertas partes de autos, como puede ser el tablero. Figura 1.7 Diagrama de queratina73

72 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina 73 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina

ALCANO: UNION C-C SIMPLE

HEXADECANO (C16 H 34)

NONANO (C9 H20)

COMBUSTIBLE

PROPENO (C3 H6)

POLIPROPILENO (polímero)

ETENO (C2 H4)

POLIETILENO (polímero)

ALCANO

MATERIAS PRIMAS RENOVABLES Plantas Los combustibles fósiles proveen tanto la energía como la materia prima para fabricar los plásticos tradicionales. En esta industria se gastan 270 millones de toneladas de combustible por año. Ante los problemas de escasez y

contaminación derivados del uso de estos combustibles, los vegetales pueden ser, aparentemente, una excelente alternativa, tanto por ser fuentes de energía como porque aportan materias primas para la industria. Figura 1.8 Proceso en las plantas74

Ya se ha descubierto la manera de utilizar plantas para fabricar plásticos. Se los ha denominado “plásticos verdes” ya que se producen a partir de una fuente renovable y son biodegradables. Sin embargo, recientes investigaciones señalan aspectos no tan alentadores: a) su biodegradación también produce cantidades considerables de gases que aumentan el efecto invernadero y b) los procesos de extracción de estos plásticos requieren cantidades considerables de combustibles fósiles. TIPOS DE PLASTICOS QUE SE OBTIENEN Plásticos tradicionales Uno de los monómeros que se obtienen del petróleo a partir del craqueo es el eteno. La adición de muchos de estos monómeros forma el polietileno. Figura 1.9 Diagrama de la formación del Polietileno75

74 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina 75 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina

Originalmente, el nylon se obtenía a partir de carbón, aire y agua; ahora se produce por condensación de compuestos que además de carbono e hidrógeno tienen oxígeno y nitrógeno. Estos compuestos se obtienen a partir de alquenos con igual número de átomos de carbono. Figura 1.10 Diagrama de una molécula de Nylon76 Plásticos nuevos Plásticos conductores El premio Nóbel de Química del año 2000 fue otorgado a investigadores que descubrieron un procedimiento para hacer plásticos conductores de la corriente eléctrica. Tradicionalmente, los plásticos fueron utilizados como materiales aislantes, o sea para impedir el paso de la electricidad. Un material es conductor (como los metales y el grafito) porque permite la circulación de electrones. Figura 1.11 Esquema de un plástico conductor77 Para lograr que los plásticos sean conductores deben ser modificados, haciéndolos reaccionar con sustancias capaces de cederles o sacarles electrones. Al quitar electrones a la unión C-C del polímero, se rompe el apareamiento de los átomos y se dejan lugares vacíos que permiten la circulación de electrones.

76 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina 77 Imagen tomada de Cuaderno de Notas CN 3/8, Ministerio de Educación, Republica de Argentina

ANEXO 2. Procesos de fabricación78 2.1 PROCESOS DE FABRICACIÓN Existen dos procesos básicos en la producción de materiales compuestos, el sistema de molde abierto (Figura 2.1); que como su nombre lo indica sobre el mismo molde se aplican la fibra y la matriz. Y el sistema de molde cerrado (Figura 2.2), el cual tiene un proceso adicional de inyección de la matriz. Molde abierto

• PROYECCIÓN • CONTACTO A MANO • BOLSA DE VACÍO • INFUSIÓN • PRE-IMPREGNADOS • CENTRIFUGACIÓN • ENROLLAMIENTO FILAMENTARIO • RFI

Figura 2.1 Esquema de producción por Molde Abierto Molde cerrado

• RTM/VARTM • INYECCIÓN DE TERMOESTABLES • RIM / RRIM / SRIM • MOLDEO EN PRENSA • SMC/BMC • PULTRUSIÓN

Figura 2.2. Esquema de Producción por Molde Cerrado

78 Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Zaragoza.

Como se describe en el apartado 7.4.2 del presente documento, existen diferentes procesos de producción en materiales compuestos pero, cada uno de ellos tiene rangos de desempeño (Figura 2.3) que son necesarios tener en cuenta al momento de proponer un sistema estructural. Figura 2.3. Procesos asociados a Materiales Compuestos - Rangos de desempeño Los procesos de fabricación para plásticos reforzados con fibra dependen de su función, tamaño, cantidad, tasa de producción, acabados y consideraciones de costo. Los propuestos para la presente investigación son: contacto, laminado continuo, pre-impregnado y pultrusión. Contacto. Es denominado así debido a las bajas o nulas presiones que necesita y fue la primera técnica que se empleo en el laminado de los plásticos reforzados con fibra de vidrio, siendo todavía uno de los procesos más utilizados. En producciones de series industriales cortas o de piezas de gran superficie es el método más económico al presentar las ventajas de su relativa sencillez y no requerir mano de obra excesivamente especializada ni inversiones elevadas. Por otro lado, las características mecánicas y físicas alcanzadas son inferiores a las obtenidas mediante otros procesos, debido sobre todo a la limitación del porcentaje de fibra de vidrio de los laminados.

El método operativo consta de las siguientes fases: Figura 2.4 Proceso de Contacto

Laminado continuo. Este es un proceso de compresión indirecta. Normalmente la única fuerza o esfuerzo aplicado es la presión radial de los rodillos laminadores. Esto deforma el material y lo hala a través de la holgura de los rodillos. El proceso puede ser comparable a la compresión en el forjado pero difiere en dos aspectos; la compresión se efectúa entre un par de platinas con diferentes inclinaciones entre una y otra, y que el proceso es continuo, Figura 2.5

Figura 2.5 Distribución de fuerzas del Forjado y Laminado El laminado es el proceso de deformación que más ampliamente se usa y en razón a que existen muchas versiones el proceso tiene su propia clasificación. Esta puede ser de acuerdo al arreglo de los rodillos en el bastidor del molino o de acuerdo con el arreglo de los bastidores en secuencia.

Los molinos de laminación se clasifican de acuerdo a la Figura 2.6. El molino de dos rodillos fue el primero y el más simple pero su capacidad de producción tiende a ser baja debido al tiempo que se pierde al tener que regresar el material al frente del tren o molino. Obviamente esto condujo al molino reversible de dos rodillos donde el material puede ser laminado en ambas direcciones. Este molino está limitado por la longitud que puede manejar y si la velocidad de laminado se aumenta, el resultado casi es el mismo debido al incremento del tiempo requerido para invertir la rotación en cada pasada. Lo anterior fija una longitud máxima económica de alrededor de 10 metros por lamina. Tipos de Molino Figura 2.6 Tipos de Molino

Los molinos de laminación, tienen la desventaja de que todas las etapas del laminado son efectuadas en la misma superficie del rodillo y la calidad de la superficie del producto tiende a ser baja. Los cambios de rodillo en estos molinos son relativamente frecuentes y requieren de tiempo. Es por ello que este tipo de molinos se usa para el laminado primario, donde se requiere un rápido cambio de forma, aun a expensas de la calidad de la superficie. Los molinos continuos de laminación pueden clasificarse de acuerdo al arreglo de los bastidores de los rodillos o pases. Estos son molinos continuos de laminación en línea, y en línea de frente con bastidores en circuito cerrado o abierto, Figura 2.7. Figura 2.7 Clasificación de los molinos de acuerdo con el arreglo de los bastidores Los molinos en circuito abierto o cerrado requieren que la pieza de trabajo sea doblada o girada entre cada bastidor o castillo, y por ello se usan para laminar barras, rieles o secciones. Los molinos continuos se usan para placas, tiras u hojas. Todos ellos requieren de una gran inversión y sólo se justifican cuando se tiene garantizada una alta demanda del producto. Finalmente con este proceso se obtienen láminas de cualquier longitud pero con espesores máximos determinados por el tipo de molino que se emplee.

Pre-impregnado. La técnica de moldeo con materiales pre-impregnados es un técnica relativamente nueva que permite obtener piezas con propiedades físicas y mecánicas elevadas. Al poder controlar de manera estricta los porcentajes de matriz durante su fabricación, la utilización de materiales pre-impregnados permite alcanzar proporciones de refuerzo matriz muy elevados, llegando inclusive a algunos prepregs79 para aplicaciones aeroespaciales a valores tan sorprendentes como 90%/10%. Proceso de fabricación: Existen dos procesos de fabricación por pre-impregnado; Proceso de fabricación en dos fases: El proceso se realiza en dos etapas: en primer lugar la fabricación de un film de resina de pequeño espesor, cuya formulación es la que finalmente determinará el ciclo de curado del pre-impregando. El refuerzo (roving directo o tejido) se integra con la resina en una etapa posterior, posicionado entre dos capas del film de resina fabricado previamente y mediante la aplicación de calor (para bajar la viscosidad de la resina) y presión (pasando a través de rodillos de compactación).

Figura 2.8. Moldeo por pre-impregnado en dos fases Proceso de fabricación en una fase: El tejido de refuerzo seco está dispuesto en unos rodillos de alimentación. Este pasa a través del baño de resina, que tiene un contenido de entre un 20-50% de solventes. El tejido impregnado es escurrido mediante dos rodillos que retienen el exceso de resina. Posteriormente, el sistema resina/refuerzo pasa a través de un horno (180ºC a 230ºC) donde se evapora gran parte de los solventes, aumentando de este modo su viscosidad, y quedando el material dispuesto para ser cubierto por ambas caras por un papel/film separador.

79 Abreviatura para pre-impregnados

Figura 2.9. Moldeo por pre-impregnado en una fase Características físicas: un pre-impregnado posee las siguientes características; Tack: Medida de la adhesión del pre-impregnado al molde o a otras capas previas de un laminado. Ésta es la propiedad física mas característica, debido a que afecta directamente a la facilidad de manejo del material. Exceso de tacking - mala manejabilidad del material que puede ser dañado durante su manipulación. Defecto de tacking - posible inicio del curado de la resina. Flow: Medida de la fluidez de la resina durante el curado bajo presión y a altas temperaturas. Gel time: Medida del tiempo que tarda una resina en alcanzar un estado de alta viscosidad. Se podría entender como el tiempo de vida de un preimpregnado, siendo un parámetro empleado en controles de calidad. Drape: Medida de la capacidad que tiene un pre-impregnado para ajustarse a los contornos de la superficie del molde. Este parámetro es fundamental a la hora de elegir un tipo de pre-impregnado u otro, siendo normalmente las bandas unidireccionales menos conformables que los tejidos. Las salas donde se procede a la fabricación de las piezas están acondicionadas, de modo que se minimizan las variaciones de temperatura y humedad. Estas están presurizadas para evitar la entrada de aire del exterior, y con ello de las impurezas que éste pudiera contener.

Pultrusión. Comúnmente, los filamentos reforzantes, saturados con resina termoestable catalizada, son tirados de manera continua a través de un orificio dentro de un molde caliente de acero. Al pasar por el molde, la resina se polimeriza, lo que origina un perfil rígido de sección constante y de longitud ilimitada. Figura 2.10 Proceso de pultrusión Los Materiales: La fibra de vidrio continua es el principal material de refuerzo utilizado en el proceso de pultrusión, éste le confiere una resistencia muy elevada en dirección longitudinal. Puede aumentarse la resistencia transversal mediante la utilización de esteras de fibra continua de vidrio no tejidas (mat). Para ofrecer una superficie externa brillante y de buena calidad se utilizan velos de superficie. La composición de la mezcla de resina varía de acuerdo al tipo de resina utilizada. Esta mezcla está constituida por resina (poliéster, Vinilester o epoxi), catalizador, monómero de estireno, colorante (si es requerido), carga y desmoldante.

Proceso de pultrusión:

Figura 2.11. Proceso de Putrusión 1- Distribución de los materiales de refuerzo: al salir de la bobinas los rovings, pasan a través de guías individuales en dirección al baño de impregnación. Pueden acompañar a los rovings los materiales de refuerzos planos (mat). 2- Impregnación: todos los filamentos de refuerzo deben empaparse totalmente en la mezcla de resina, la cual está ubicada en una batea de aproximadamente un metro de largo. 3- Conformado y polimerización: los filamentos de roving ya embebidos, los mat y velos de superficie pasan a través de un molde calefaccionado, donde se produce la polimerización. 4- Tracción: para transmitir la fuerza de estirado se utilizan, bien trenes de oruga o garras con tracción hidráulica coordinada. Trabajan una contra otra, de modo que mientras una garra estira, la otra viaja abierta en dirección contraria y pueden proceder a tirar alternativamente. 5- Corte: se realiza mediante una sierra de corte que se acciona cuando se alcanza la longitud requerida. 6- Estación de productos cortados. La pultrusión es un proceso ideal para piezas de sección transversal constante, tales como perfiles, postes, celosías, varillas, paneles y tubos. Mediante este proceso se obtienen elementos de dimensiones precisas, así como de alta resistencia longitudinal y rigidez. Finalmente, la fabricación de un sistema estructural completo puede requerir de todos los procesos anteriormente descritos con el fin de obtener la mejor relación costo-beneficio y el mejor comportamiento ante solicitaciones estructurales.

2.2 PROCESOS DE FABRICACIÓN PARA LOS ELEMENTOS PROPUESTOS EN LA PRESENTE INVESTIGACIÓN 2.2.1. PANELES Proceso de producción Para los paneles, y de acuerdo a las exigencias estructurales impuestas al sistema es recomendable utilizar un proceso de pre-impregnado el cual tiene las siguientes características:

Ventajas

El control sobre el porcentaje fibra/resina esta muy determinado, y además es muy alto, lo que hace que sea ampliamente utilizado para la fabricación de piezas estructurales en la industria aeronáutica, energía eólica, productos de alta competición deportiva, etc.

El hecho de que el material contenga la resina a priori, elimina la necesidad de impregnarlo in situ, con lo que el proceso de laminado de la pieza se simplifica considerablemente, reduciendo los posibles defectos de fabricación.

Desventajas

El costo del producto es elevado. La complicada formulación de las resinas, junto con la necesidad de almacenaje y transporte en lugares refrigerados, hacen que la utilización de estos materiales este limitada a mercados muy definidos.

Refuerzos impregnados con resinas que se encuentran en fase de polimerización pero cuya cinética esta

controlada

El material permanece en un estado de “latencia” (estado “B” o “semicurado”) a bajas temperaturas (velocidad de reacción muy baja), de forma tal que se puede almacenar durante meses.

• El curado evoluciona muy lentamente a temperatura ambiente, de forma tal que permite su manipulación y colocación en las fases de fabricación.

• El curado evoluciona rápidamente a elevadas temperaturas para conseguir tiempos de fabricación razonables.

Epóxi: Son los pre-impregnados más utilizados en aplicaciones de altos requerimientos estructurales. Poliéster: SMC / BMC (menos estructurales, mayor volumen de producción)

2.2.2 CONECTORES Proceso de pultrusión

La pultrusión es un proceso de fabricación de estructuras de materiales compuestos automático, continuo y muy versátil, con el que se obtienen perfiles de sección constante.

Estas secciones pueden ser en forma de barra, tubo, angular, viga

cajón, placa, o en formas más complejas.

El término pultrusión se refiere tanto al producto final como al proceso de fabricación. En todos los casos se usa una fibra de refuerzo que va embebida en una resina termoestable, que reacciona químicamente cuando se le aplica calor generando una reacción exotérmica.

Ventajas

Cualquier longitud de perfil que sea transportable puede ser pultruida.

Cualquier forma compleja de sección, siempre que sea constante puede ser obtenida mediante pultrusión.

Preformas de madera, o de espuma pueden ser incluidas de forma continua en los productos pultruidos.

La posibilidad de usar una amplia gama de refuerzos y preformas. Poca mano de obra y alta automatización y continuidad del

proceso. El acabado de las piezas fabricadas mediante pultrusión es de alta

calidad debido a la precisión de la superficie del molde. Desventajas

La alta dificultad de fabricar estructuras que no sean unidimensionales, como barras o perfiles y además de sección constante.

La imposibilidad de orientar las fibras en ángulos óptimos. La necesidad de un molde de altas prestaciones con acabado muy

fino y que se necesite de series de fabricación muy largas para amortizarlo.

La velocidad del proceso es relativamente lenta. Se suelen dar problemas de adhesión cuando es necesario unir

estas piezas mediante uniones adhesivas.

ANEXO 3. Fibras, Matrices y Núcleo 3.1 FIBRAS 3.1.1. Fibra de Vidrio Fibra de vidrio es vidrio en forma de filamentos. Los filamentos pueden ser hechos con diversos tipos de vidrio, designados con las letras A, E, C, AR y S. Los más comúnmente utilizados para refuerzo de productos son los tipos E (eléctrico), AR (Alcali Resistente) y C (con resistencia química). El proceso mediante el cual se producen los filamentos de vidrio es el siguiente: en un reactor son incorporados todas las materias primas finamente divididas en forma de polvo, donde son fundidas. El vidrio fundido fluye a través de canales que tienen gran cantidad de pequeños hoyos. El vidrio fundido sale desde estos hoyos como un filamento continuo. Estos filamentos continuos pasan sobre un aplicador que les impregna con un cubrimiento químico (ó apresto) el cual le dará características especiales para su procesamiento posterior. Este apresto aumenta la habilidad del vidrio para adherirse a otros materiales y es muy importante para determinar la calidad del material. Los filamentos así tratados son curados en estufas para terminar su procesamiento. Propiedades de la fibra de vidrio:

Propiedad E C S R

Gravedad específica 2,56 2,45 2,49 2,58

Resistencia a la tracción de la fibra GN/m2 3,6 -----------

4,5 4,4

Punto ablandamiento °C 850 690 -------- 990

Conductividad térmica W/m °C 1,04

Índice de Refracción 1,545 1,549

Módulo de Young de elasticidad GN/m2

75,9 ----------- 86,2 84,8

Clasificación de la fibra de vidrio Los vidrios E son los más utilizados en la fabricación de fibras continuas. Básicamente, el vidrio E es un vidrio de borosilicato de calcio y aluminio con muy bajo o nulo contenido en potasio y sodio. EL vidrio E no modificado tiene una resistencia a la tracción de 3,44 GPa y un módulo de elasticidad de 72,3 GPa. Los vidrios S tienen una relación resistencia/peso más alta y son más caros que los vidrios E. Estos vidrios se utilizan principalmente en aplicaciones militares y aeroespaciales. Su resistencia a la tracción está sobre los 4,48 GPa y poseen un módulo de elasticidad de unos 85,4 GPa. El diámetro de las fibras comerciales de vidrio E está entre 8 y 15 µm siendo con frecuencia de 11 µm. Chopped Strand Mat (CSM) Fibra de vidrio llamada comúnmente "Mat". Los mats de buena calidad están construidos con filamentos individuales de 50 mm. de largo y distribuidos al azar dando una mínima orientación a los filamentos. La calidad del apresto hace la diferencia en cuanto a asegurar una resistencia consistente independiente de la dirección en la cual el filamento se pone en el laminado. El apresto es disuelto por el estireno contenido en las resinas de poliéster y Vinilester y permitiendo que el mat adquiera las formas más complejas en la matriz. Utilizando sólo fibra de vidrio del tipo mats, pueden fabricarse productos de bajo costo. Los mats son utilizados principalmente en laminación manual, laminados continuos y algunas aplicaciones en moldes cerrados. Los pesos son medidos en gramos por metro cuadrado. Las principales características de la fibra de vidrio mats son:

Para usar en laminación manual Moldeo continuo Laminados con poca resina Fácil remoción de aire atrapado Rápida humectación con buena resistencia Tipo de vidrio: E Diámetro nominal del filamento: 11 micrones Densidad lineal del filamento básico: 30 tex Longitud del filamento: 50 mm Variedades de mats: 225 G/m2; 300 g/m2; 250 g/m2 y 600 g/m2

WOVEN ROVING 600 / 800 Este producto es un tejido hecho de filamentos continuos colocados en forma vertical y horizontal, sin amarres. Por lo cual puede tomar distintas formas y curvas. Siendo un tejido pesado podrá transferir su configuración a través del Gel Coat si es colocado cerca de la superficie. Manteniendo una alta relación de fibra/resina se obtendrá laminados muy fuertes por moldeo por contacto y son utilizados principalmente como el último laminado en grandes estructuras tales como embarcaciones.

Los woven roving pueden ser suministrados además con una fibra del tipo Mat unidos químicamente ó bien cocidos con un hilo. Los tejidos bi-direccionales proporcionan buena resistencia en las dos direcciones de 0° y 90°. Son utilizados para fabricar laminados gruesos, especialmente en operaciones de laminado manual. Sus principales características son:

Para aplicación manual. Para procesos de laminación en moldes abiertos y en grandes

moldes cerrados. Son compatibles con resinas de poliéster, Vinilester, fenólicas y

epóxicas. Muy rápida penetración, saturación y humectado de los laminados

de resina. Muy altas propiedades de resistencia de los laminados.

ROVING DIRECTO PARA FILAMENT WINDING 2200 / 2300 / 2400 / 4400 / 4800 Direct roving ó hilo roving ha sido diseñado específicamente para usar en la técnica de enrollado de filamentos, filament winding, con resinas de poliéster, viniléster y sistemas epóxicos y ofrecen rápida humectación y excelente procesamiento. Estos sistemas utilizan la unidad tex para su designación: Tex = g/1.000 m Enrollado de filamentos ó filament winding es un procedimiento automatizado de alto volumen que es ideal para la fabricación de tuberías, estanques, varas y tubos, vasos de presión y otras formas cilíndricas. La sofisticación de la máquina varía desde operaciones básicas de transmisión de cadenas de dos ejes hasta sistemas multi-ejes y multi-mandriles controlados por computador. Las óptimas propiedades se obtienen cuando la tensión de la fibra es igual en todas las fibras. La fibra de vidrio es humectada en un estanque a través del cual se hace pasar los filamentos de vidrio. El mandril es rotado al mismo tiempo que se le va entregando el hilo roving a través de toda su longitud. El tiempo de fabricación de un estanque de presión para gas comprimido hecho con resina epóxica reforzada con hilo "E", de 4,57 m. de diámetro por 22,86 m de largo es de una hora para la fabricación y de 2,5 horas para post-curado a 130°C. Debido a que la acción de enrollar el filamento compacta al laminado, no son necesarios otros métodos de compactación tales como con bolsa de vacío u otros. ROVING PARA PISTOLA SPRAY-UP Este roving está formado por mechas que contienen varios filamentos enrollados. Spray-Up es el más económico y más común de los procesos para fabricar productos de fibra de vidrio.

Su sistema de designación es 2.400 (60), lo cual indica que es de 2400 tex y de 60 cabos (60 grs./1000 m) por cada mecha. Con spray-up, el roving de fibra de vidrio alimenta una pistola con cortador (chopper), el cual corta fibra de vidrio en longitudes predeterminadas. Esta fibra de vidrio va directamente a un flujo de resina. La combinación de estos materiales es dirigida a la cavidad del molde cuando la parte compuesta tiene formas. El roving para pistola es manufacturado a partir de filamentos continuos de fibra de vidrio, sin torceduras mecánicas y es empacado en tubos que se entregan listos para ser usados en las operaciones del cliente. También debe contener aprestos especiales para mejorar su manipulación y optimizar el enlace fibra-resina en el compuesto. En el procedimiento spray-up, después de curar el gelcoat, es rociada resina catalizada (usualmente poliéster ó Vinilester con una viscosidad de 500 cps a 1.000 cps, junto con fibra de vidrio cortada. Los cortes de fibra de vidrio roving van directamente dentro de la resina rociada, de tal forma que todos los materiales son aplicados simultáneamente al molde. Empleando resinas con bajo contenido de estireno ó sin estireno, rellenos y pistolas rociadoras de alto volumen/baja presión ó rodillos de presión para alimentar resina como aplicadores, se ayuda a reducir las emisiones de compuestos orgánicos volátiles. Un buen hilo roving para pistola debe tener las siguientes características:

Excelente trabajabilidad Baja estática y poca pelusa Buena dispersión y cortabilidad Debe aumentar la calidad del laminado y reducir los desperdicios Debe tener alto poder de mantener la resina Debe dejarse usar por todos los tipos de equipos spray-up Debe tener un rápido y completo humectado

3.1.2. Fibra de Carbono Las fibras de carbono fueron utilizadas por Edison en 1900 como filamentos para bombillas. En la década de 1960 los primeros desarrollos fueron realizados por Shindo en Japón, Watt en Inglaterra y Bacon y Singer en USA. La primera fibra de carbono comercial de altas prestaciones data de 1963. Las fibras de carbono de alta resistencia y alto módulo tienen un diámetro de 7 a 8 µm y constan de pequeños cristales de grafito “turbostrático” (una de las formas alotrópicas del carbono) En un monocristal de grafito los átomos de carbono se ordenan en redes hexagonales, como se muestra en la Figura 3.1. Figura 3.1 Ordenamiento hexagonal de la red de átomos de Carbono

EL módulo de elasticidad de las fibras de carbono depende del grado de perfección de la orientación, la cual varía considerablemente con las condiciones y proceso de fabricación. Las imperfecciones en orientación dan como resultado, intersticios de forma compleja, alargados y paralelos al eje de la fibra. Estos actúan como puntos de concentración de tensiones y puntos débiles que llevan a la reducción de las propiedades. Otras causas de debilidad, que se asocian a menudo al proceso de fabricación, incluyen las picaduras y los macrocristales. Procesos de obtención de fibras de carbono: Aunque se ha investigado una gran cantidad de materiales como precursores de la fibra de carbono, el poliacrilonitrilo (PAN), la brea y la celulosa (en orden decreciente de uso actual), son los tres precursores que actualmente se utilizan para fabricar las fibras de carbono. Las fibras que están basadas en el PAN tienen diámetros que oscilan entre las 5 y 7 mm, y aquellas cuyo precursor es la brea están entre las 10 y 12 mm. Las fibras tipo 1, obtenidas a partir de poliacrilonitrilo normal (base-PAN) tienen una delgada cobertura de capas circunferenciales y un núcleo con cristales desordenados. A diferencia, algunas fibras obtenidas a partir de mesofases bituminosas muestran estructuras de capas orientadas radialmente. Estas distintas estructuras dan como resultado algunas diferencias significativas en las propiedades de las fibras. La brea (pitch) puede procesarse en forma isótropa o altamente orientada. Su proceso es similar al de precursor PAN. El rayón, derivado de materiales provenientes de la celulosa, puede procesarse como rayón común o purificado con un catalizador que permita la deshidratación de la celulosa. Existen tres procedimientos principales para producir fibras con las capas grafíticas orientadas preferencialmente paralelas al eje de la fibra: a) Orientación del polímero precursor por estiramiento. El PAN se emplea como material de origen (siendo el más común), el cual es un polímero que se asemeja mucho al polietileno en su conformación molecular en la que cada grupo lateral alternado de hidrógeno del polietileno es reemplazado por un grupo nitrilo. En el primer estado del proceso la masa de PAN se convierte en una fibra que se estira entonces para producir la orientación de las cadenas a lo largo del eje de la fibra. Cuando se la calienta la fibra estirada, los grupos activos nitrilo interaccionan y producen un polímero en escalera que consta de una fila de anillos hexagonales. Mientras la fibra esta todavía bajo tensión se calienta en una atmósfera de oxígeno que conduce a la siguiente reacción química y a la formación de enlaces cruzados entre las moléculas de la escalera. El PAN oxigenado se reduce entonces para dar la estructura de anillo de carbono que se convierte en grafito turbostrático por calentamiento a temperaturas más altas. El modulo de elasticidad y la resistencia de las fibras dependerá de la temperatura del tratamiento de calentamiento final que determina el tamaño y la orientación de los cristales.

Figura 3.2 Producción de Fibra de Carbono - Orientación del polímero precursor por estiramiento b) Orientación por hilado. Este método consta del moldeo de hilos de alquitrán fundido para producir fibras. Durante este proceso de hilado los efectos hidrodinámicos en el vacío determinan la orientación de las moléculas planas, pudiéndose inducir diferentes clases de orientación. El hilo se hace infundible por oxidación a temperaturas por debajo de su punto de ablandamiento para evitar la fusión de los filamentos en un conjunto. Sé carboniza entonces a temperaturas normalmente alrededor de los 2000ºC. Se requerirán esfuerzos de tracción durante algunas de estas etapas para prevenir la relajación y pérdida de la orientación preferencial. Figura 3.3 Producción de Fibra de Carbono - Orientación por hilado

c) Orientación durante la grafitización. A temperaturas muy altas (mayores a 2000ºC) las fibras carbonizadas a partir de rayón, alquitrán o PAN pueden estirarse durante la etapa de grafitización. Esto tiene como consecuencia el deslizamiento de las capas de grafito unas sobre otras y la posterior orientación de las capas paralelamente al eje de la fibra.

Figura 3.4 Producción de Fibra de Carbono - Orientación durante la grafitización Propiedades de los distintos tipos de fibra de carbono

PRECURSOR PAN, BREA

MESOFASE Y RAYÓN

PURIFICADO

PRECURSOR PAN, BREA

ISOTROPA Y RAYÓN

PRECURSOR PAN

Tipo Alto Modulo (I ó HM)

Alta Resistencia

(II ó HR)

Tipo III ó A

Diámetro del filamento ( µm) 7,0 8,0 7,0 - 8,0Densidad (Kg/m 3) 1810 - 1870 1740 - 1760 1820

Módulo de elasticidad (GPa) 390 230 290Resistencia a tracción (GPa) 2,1 - 2,7 2,6 - 5 3,1

Elongación a la rotura (%) 0,7 2,0 1,1Módulo específico 210 130 160

Coeficiente expansión térmica (10 -6/ºK) 2,56 2,56 2,56

Grados de la fibra de carbono

La fibra de carbono de alto módulo (I ó HM) es la más rígida y requiere la mayor temperatura en el tratamiento (2700 ºC).

La fibra de carbono de alta resistencia (II ó HR) es la más fuerte y se carboniza a la temperatura que proporciona la mayor resistencia a tracción (1800 ºC).

El tercer tipo de fibra de carbono (III ó A) es la de menor costo; la rigidez es menor que en las anteriores pero la resistencia es aceptable. Este tipo presenta la temperatura más baja en el tratamiento (1100 ºC).

3.2 MATRICES CLASIFICACIÓN DE LAS RESINAS Resinas Termoestables En los polímeros termoestables, las resinas líquidas se convierten en sólidos duros y frágiles por uniones químicas cruzadas que llevan a la formación de una red tridimensional fuertemente unida de cadenas de polímeros. Las propiedades mecánicas dependen de las unidades moleculares que forman la red y de la extensión y densidad de los enlaces cruzados. Lo primero está determinado por los productos químicos iniciales usados y lo segundo por el control de los procesos de unión reticular que están involucrados en el curado. El curado puede conseguirse a la temperatura ambiente, pero es normal usar un sistema de curado que suponga el calentamiento a una o más temperaturas durante tiempos preestablecidos para alcanzar unas uniones cruzadas óptimas y por tanto unas mejores propiedades. A menudo se da un tratamiento de poscurado a una temperatura final relativamente alta para minimizar cualquier posterior curado y cambio de propiedades en servicio. La contracción durante el curado y la contracción térmica por enfriamiento posterior al curado pueden provocar tensiones internas en los materiales compuestos. Clasificación general

Tipo Volumen Costo Propiedad Tgde mercado Fundamental ºC

Epoxi 25 4 Alta Resistencia 235Mecánica, Fatiga

Poliéster 125 1 Bajo Coste, Bajas 90Prestaciones

Viniléster 8 2 Alta Resistencia 110Química

Fenólica 1 2 Alta Resistencia a 200Fuego y Humos

RESINA EPOXI: El químico ruso Prileschajev descubrió a comienzos del siglo XX que las olefinas reaccionan con peroxido benzóico para formar epóxidos. A mediados de la década de 1930, el científico alemán P. Schlack solicitó una patente consistente en la preparación de poliaminas de alto peso molecular a partir de aminas y compuestos epóxidos que contenían más de un grupo epóxi. Estos compuestos epóxidos se formaban mediante la reacción de Epiclorhidrina y Bisfenol A. La química de la epoxi tal como se conoce hoy fue descubierta por P. Castan (Suiza) y S. Greenlee (USA), a finales de los 30’. El primer producto comercial lo lanzó Ciba Geigy en 1946. Las matrices epóxi son polímeros que contienen en su molécula dos o varias funciones epoxídicas. La rigidez, resistencia y dureza de los epóxis es superior a la de las resinas de poliéster y viniléster, y, por ello, pueden operar a niveles de solicitación y temperaturas más altas. Tiene buena adherencia a muchos sustratos, baja contracción durante la polimerización y son especialmente resistentes a los ataques de los álcalis. Las resinas epóxi se caracterizan por sus elevadas propiedades mecánicas, baja retracción, un buen comportamiento a temperaturas elevadas, hasta 180ºC y una buena resistencia ante los agentes químicos. Figura 3.5 Epóxi TGMDA La mayoría de las resinas epóxicas están basadas en tres estructuras químicas. TGMDA (dianilina tetraglicidil metileno), DGEBA (diglicidil eter de bisfenol A), la más usada, y fenolformaldehído epoxi NOVOLAC. La principal diferencia entre las moléculas es que TGMDA y las novolacas curan a una densidad de entrecruzamiento mayor que la epóxi DGEBA (Figura 3.6), la cual presenta altos valores de módulo de Young y Tg, pero bajos valores de deformación a la rotura.

GRUPO EPOXI

Figura 3.6 Epóxi DGEBA TIEMPOS DE CURADO80 El curado se lleva a cabo siguiendo las curvas T/t dadas por el fabricante. Si se requiere una alta compactación a través del espesor se requiere curado en autoclave. RESINA POLIESTER: La primera preparación de resina de poliéster se debe a Berzelius en 1847 y Gay-Lussac y Pelouze en 1883. Carleton Ellis introdujo la idea del material compuesto poliéster/fibra de vidrio en la década de 1930. Ellis descubrió que las resinas de poliéster no saturadas obtenidas mediante la reacción de glicoles con anhídrido maléico podían curar y polimerizar, pasando a un estado sólido insoluble mediante la adición de un peróxido como catalizador. Solicitó una patente por esta idea en 1936.

80 Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Zaragoza, Modulo Nuevos Materiales

Son polímeros que contienen el grupo éster (Figura 3.7). Los hay saturados y no saturados. Los primeros son termoplásticos, que se presentan en forma de fibras, film o resinas. Los más importantes son el PET (tereftalato de polietileno) cuya aplicación más extendida es la botella de agua mineral y el PBT (Tereftalato de polibutileno) el cual es muy prometedor como matriz termoplástica estructural. Figura 3.7 Resina poliéster Los poliésteres no saturados presentan doble enlace, los cuales son muy inestables y pueden polimerizar en contacto con un monómero también insaturado como es el estireno (de olor característico) en presencia de un catalizador. Son las resinas más utilizadas, por su bajo costo, buen comportamiento con el agua y propiedades mecánicas razonables cuando se asocia con la fibra de vidrio. Sus desventajas son la baja temperatura máxima de operación (80 ºC), elevada deformación en el curado (7% en volumen) y deficiente respuesta ante esfuerzos de fatiga. La copolimerización conduce al endurecimiento y se realiza sin eliminación de productos secundarios y sin necesidad de presiones ni de temperaturas elevadas. La configuración y la composición química de la resina poliéster endurecida determinan sus características y sus propiedades (flexibilidad, dureza, resistencias mecánica, química, térmica, etc.) El endurecimiento es debido a que los dobles enlaces del poliéster no saturado son muy inestables en presencia de estireno y un catalizador. El endurecimiento de la resina de poliéster se efectúa en presencia de un catalizador, de dos formas diferentes:

• A temperatura ambiente, con la ayuda de un acelerador. • A temperaturas elevadas

Los catalizadores son peróxidos orgánicos que responden a la siguiente fórmula general: R - O - O - R'. Estos tienen por objeto llevar a la molécula de poliéster a un nivel energético tal, que la reacción de copolimerización se haga posible en las condiciones de transformación elegidas.

FASES DE REACTIVIDAD DE LA RESINA DE POLIESTER81 De este gráfico es claro concluir que en el proceso de aplicación de la resina sobre la matriz los tiempos deben ser exactos antes de perder las propiedades intrínsecas del material y no poder obtener el compuesto que se haya determinado. Resinas Termoplásticas Al contrario que las resinas termoestables, los termoplásticos no tienen enlaces cruzados. Obtienen su resistencia y rigidez de las propiedades inherentes a las unidades monoméricas y de su peso molecular muy elevado. Esto asegura que en los termoplásticos amorfos haya una alta concentración de entramados moleculares que actúan como enlaces cruzados y que en los materiales cristalinos haya un alto grado de orientación y ordenación molecular. En los materiales amorfos, el calentamiento conduce al desentramado y al cambio de sólido rígido a líquido viscoso. En los materiales cristalinos el calentamiento da como resultado la fusión de la fase cristalina para dar un líquido amorfo y viscoso.

81 Ídem 76

Tiempode gel

Tiempo dereactividad

Pun

to d

e G

el

TEMPERATURA (ºC)

TIEMPO (min)

Gelificación

Pico Exotérmico

Endurecimiento

Temperatura de baño

Enfriamiento

T0 Tiempo de polimerización

3.3 NUCLEO NUCLEOS DE ESPUMA Las propiedades dependen de:

• Composición de la espuma • Estado del polímero • Densidad de la espuma (Alta densidad, Baja densidad) • Estructura de las celdillas • Composición del gas espumante

La resistencia al fuego es un problema. Se incorporan aditivos como bromo, fósforo y cloro. Las propiedades a tener en cuenta: resistencia y módulo de compresión. POLIURETANO Buena resistencia mecánica e inmejorable tenacidad Buen comportamiento ante abrasión Muy buena resistencia química Buen comportamiento ante bajas temperaturas Aplicaciones: aislamientos térmicos y acústicos en edificios, instalaciones frigoríficas y paneles estructurales. Espumas Utilizadas Los poliuretanos son una familia de polímeros con características diversas en función de los productos de partida, pero normalmente se engloban bajo el mismo nombre genérico de poliuretanos, con las siglas PUR. Los precursores son un isocianato (por ejemplo, el TDI o el MDI) y un poliol de tipo poliéster. La reacción de polimerización es generalmente muy rápida y al ser en fase líquida, permite el moldeo en el momento de la propia reacción. Esta reacción es tan rápida que si hacemos burbujear un gas en el momento de mezclar los productos a reaccionar queda atrapado y el producto resultante es una esponja, rígida o flexible, según sean los precursores.

Tipo de espuma Densidad Resistencia Resistencia Módulo Temperatura(kg/m3) a compresión a cortadura a cortadura máxima

PVC 48 0.65 MPa 0.45 MPa 8.3 MPa 80 ºCPUR 48 0.41 MPa 0.14 MPa 1.56 MPa 121 ºC

PVC 96 1.68 MPa 0.83 MPa 15.2 MPa 80 ºCPUR 96 1.38 MPa 0.62 MPa 10.3 MPa 125 ºC

ANEXO 4. Criterios de fallo 4.1 CRITERIOS DE FALLO PARA LOS MATERIALES COMPUESTOS A la hora de diseñar con nuevos materiales, es necesario diferenciar entre aquellos que son isótropos ó los que son ortótropos. La rigidez y la resistencia se pueden representar mediante el módulo de Young y la tensión uniaxial, respectivamente. El coeficiente de Poisson puede suponerse constante y de valor determinado según el material (ver programa DAC82). Pero, cuando se trata de ver la resistencia del material frente a esfuerzos combinados, es necesario determinar el tipo de criterio ha aplicar. El criterio de Von Mises o Tresca es aplicable únicamente en aquellos casos en que el material se considere isótropo; por el contrario, los materiales compuestos rara vez se pueden considerar isótropos por lo que para ellos lo más aproximado es aplicar el criterio de Tsai Wu, criterio que se aplica en la evaluación de los modelos propuestos en la presente investigación. 4.1.1 CRITERIO MÁXIMO DE LA TENSIÓN DE ESQUILEO El criterio máximo de la tensión de esquileo, también conocido como criterio de Tresca o del huésped, se utiliza a menudo para predecir el rendimiento de materiales dúctiles. La producción en materiales dúctiles es causada generalmente por el resbalamiento de los planos cristalinos a lo largo de la superficie máxima de la tensión de esquileo. Por lo tanto, un punto dado en el cuerpo se considera seguro mientras la tensión de esquileo máxima en ese punto está bajo la tensión de esquileo de producción sy obtenida de una prueba extensible uniaxial. Con respecto a la segunda tensión, la tensión de esquileo máxima se relaciona con la diferencia en las dos tensiones principales (véase el círculo de Mohr). Por lo tanto, el criterio requiere la diferencia principal de la tensión, junto con las tensiones principales ellas mismas, son menores que la tensión de esquileo de la producción,

82 Designing Advance Composites, Programa de calculo de la Universidad de Zaragoza

Gráficamente (Figura 4.1), el criterio máximo de la tensión de esquileo requiere que las dos tensiones principales estén dentro de la zona verde indicada, Figura 4.1. Tensiones principales 4.1.2 CRITERIO DE VON MISES Se utiliza el Criterio de Von Mises (1913), también conocido como el criterio máximo de la energía de la distorsión, la teoría octaédrica de la tensión de esquileo, o la teoría de Maxwell-Huber-Hencky-maxwell-Huber-Hencky-von Mises, a menudo para estimar la producción de materiales dúctiles. El criterio de Von Mises indica que ocurre la falla cuando la energía de la distorsión alcanza la misma energía para yield/failure en la tensión uníaxial. Matemáticamente, se expresa esto como, En los casos de la tensión plana, s 3 = 0. El criterio de Von Mises reduce a,

Esta ecuación representa una elipse principal de la tensión según lo ilustrado en la figura 4.2, Figura 4.2. Elipse principal de tensión También se demuestra en la figura el criterio máximo de la tensión de esquileo (en línea discontinua). Esta teoría es más conservadora que el criterio de Von Mises puesto que se inscribe dentro de la elipse de Von Mises. Además de limitar las tensiones del elemento principal para prevenir la falla dúctil, el criterio de Von Mises también da una valoración razonable del fallo de fatiga. En los materiales compuestos, el número de constantes se eleva a cuatro para la rigidez y a cinco, al menos, para la resistencia de laminados unidireccionales. Por eso se debe sustituir el cálculo escalar por el concepto de matriz (ver presentación de propiedades). Un aspecto especial de los materiales compuestos es que como la rigidez de un laminado se lleva a cabo mediante inversiones matriciales, es imposible predecir qué efecto van a tener operaciones sencillas como son añadir o eliminar láminas, o rotar un determinado laminado. Por eso, con materiales compuestos se recomienda el cálculo en lugar de la predicción y la intuición. Se deberá estudiar a fondo la orientación adecuada de cada lámina dentro del laminado así como la secuencia de apilado. Se hablará de rotura de primera lámina o RPL y de rotura última de laminado o RUL. ROTURA DE LA PRIMERA LÁMINA O RPL Los modos de rotura para materiales compuestos son más complicados que para los materiales isótropos, porque además de tener diferentes valores de resistencia en tracción y compresión, la resistencia en dirección de las fibras es diferente de la existente en dirección transversal. Por eso hay cuatro tensiones uniaxiales X, X', Y, Y' y una resistencia cortante S, también independiente para definir la lámina unidireccional. Esto hace un total de cinco tensiones:

X = Resistencia a tracción longitudinal (en la dirección de las fibras).

X'= Resistencia a compresión longitudinal. Y = Resistencia a tracción transversal (en dirección perpendicular

a las fibras). Y'= Resistencia a compresión transversal. S = Resistencia a cortadura longitudinal.

Los cinco modos de rotura anteriormente descritos corresponden a un material compuesto unidireccional, como es el caso de una única lámina. Pero esto no va a ser lo común. Normalmente los laminados no serán unidireccionales, sino que integran láminas en múltiples direcciones. Entonces, cuando se habla de laminado, y no de lámina, los modos de rotura no van a ser independientes unos de otros. Debido a la propiedad exclusiva de los compuestos laminados del acoplamiento, los modos de rotura serán interactivos, y algunos actuarán de forma secuencial. La resistencia de un laminado es función de la carga aplicada, de los materiales de las láminas y de la secuencia de apilado o "lay up". Por la complejidad en los modos de rotura de los materiales compuestos, los criterios de rotura que se van a utilizar para el diseño no nos van a poder predecir la forma en que se produce la rotura, pero sí si esta se va a producir o no. Para el presente proyecto, se estudiaran los criterios de rotura: criterio de máxima deformación, criterio de máxima tensión y criterio de Tsai-Wu. Estos criterios orientan en el diseño y permiten optimizar los laminados en cuanto a secuencia de apilado y orientación de fibra. Se podrán calcular los márgenes de seguridad y las características resistentes, así como las direcciones a adoptar para el mejor aprovechamiento del material. Pero deben tenerse presentes las dos limitaciones de todos los criterios de rotura:

Son criterios empíricos. No pueden ser relacionados directamente con los modos y

mecanismos de rotura; ya que los fenómenos físicos de rotura de los materiales compuestos son demasiado complejos como para ser descritos por cualquiera de estos métodos.

Se pretende visualizar para cada lámina los valores de este índice en todos los elementos de la malla, y así comprobar en qué elementos sobrepasa el valor permitido para que no se produzca la rotura de esa lámina.

ROTURA DE LA ÚLTIMA LÁMINA O RUL En el caso de obtener un índice de rotura mayor que el valor permitido, el laminado podrá o no soportar la carga adicional. En principio, se puede cargar, descargar y volver a cargar un laminado, no existiendo efectos irreversibles mientras no se sobrepase el lugar geométrico RPL, el cual describe las láminas intactas. Cuando se sobrepasa ese lugar geométrico, comienzan a aparecer fisuras en dirección paralela a las fibras en láminas unidireccionales. Las fisuras se propagan en el interior de la matriz y en la interfase fibra-matriz. Conforme mayor sea la carga, mayor será el número de fisuras generadas, hasta que se alcanza un nivel de saturación justo antes de la rotura final del laminado. Una lámina o un grupo de láminas con fisuras cambiarán la distribución de las tensiones internas del laminado. Por ejemplo, las fisuras resultantes en concentraciones de tensiones pueden generar fisuras o fracturas en las láminas vecinas. Por lo tanto, cuando se obtenga en alguna lámina un índice de rotura superior a la unidad (que indicaría que se ha producido rotura de la primera lámina) los datos obtenidos en láminas vecinas no se deben interpretar como que la lámina está mal colocada, ya que puede estar influido por las de al lado. La rigidez real del laminado también disminuirá, pero no de forma apreciable porque los módulos transversal y de cortadura son pequeños inicialmente comparados con el módulo de Young longitudinal. Para poder aplicar los análisis convencionales de tensiones, se deberá reemplazar la lámina o láminas fisuradas por un continuo de rigidez menor. En este caso la reducción de los módulos transversal y de cortadura son menores que el módulo de la matriz porque la rigidez de la fibra permanece constante. Como las láminas se degradan a través de una reducción del módulo de la matriz, se supone que la rigidez longitudinal no varía. Se supondrá además que la reducción del coeficiente de Poisson es mayor en el mismo porcentaje que lo es el módulo de la matriz. El uso de este modelo de degradación de la matriz es un método semiempírico consistente en la ampliación de la teoría de placas laminadas a la rotura final del laminado. La identificación de los modos de rotura es más complicada que los estudios simples de rotura de fibra y de matriz/interfase. Los modos son interactivos y ocurren tanto simultánea como secuencialmente. Modos adicionales, como la delaminación, se pueden originar por impactos locales, o delaminaciones en los bordes libres de la lámina.

Normalmente la predicción de RUL es mayor que la de RPL. Pero hay veces en los que RUL es menor que RPL. En estos casos, RPL es la resistencia última. Por lo tanto el lugar geométrico de RUL no representa necesariamente la capacidad de carga última de un laminado porque parte de este lugar geométrico puede ser menor que la RPL. Entonces la resistencia última es el mayor valor entre RPL y RUL. 4.1.3. CRITERIO DE TSAI WU

Incluye interacciones cuadráticas entre las diferentes componentes de tensiones, es decir es un criterio de rotura acoplado

Similar al criterio de tensión de Von-Mises en isótropos. Puede explicarse como una generalización de la energía de distorsión de la deformación

Limitaciones: No identifica el modo de fallo. No diferencia entre fallo de matriz o fallo de fibra

En el espacio de tensiones constituye una suma de productos escalares lineales y cuadráticos:

Aplicando el criterio para el caso de una lámina ortótropa trabajando en tensión plana, los parámetros F pueden calcularse como:

Fijσiσj + Fiσi = 1 i,j = 1,2,3,4,5,6

F x y = F x y* [F x x F y y ]1 / 2

-1/2 < F x y * < 0

Fxx = 1/XX' , Fyy = 1/YY' , Fss = 1/S2

Fx = 1/X - 1/X' , Fy = 1/Y - 1/Y' , Fs = 0

Cada combinación de componente de tensión alcanza el valor máximo cuando el termino de la derecha de la igualdad alcanza la unidad:

Soluciones de la ecuación: Valores de F: parámetros del material Valores de δ: conocidos para un estado tensional

Solución de la raíz cuadrada:

De forma similar, se puede plantear este criterio en el espacio de

deformaciones. Los lugares geométricos de rotura son fijos en el espacio de deformaciones y pueden analizarse como propiedades del material

{ } { }{ } { } y,aplicadaRmáx

y,aplicadaRmáxε=εσ=σ

Fijσiσj + Fiσi = 1

[Fijσ iσ j] R2+ [Fiσ i ] R - 1 = 0

[ F i j σ i σ j] R2+ [Fiσ i] R - 1 = 0

aR2+bR-1= 0, a = Fij iiji Fb, σσσ =

2/12

a1

a2b

a2bR ⎥⎦

⎤+⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=

ANEXO 5. Estática - Conceptos generales 5.1 ESTÁTICA83 5.1.1 EQUILIBRIO Existe equilibrio en cualquier condición en la que todos los efectos que influyen son anulados por otros, resultando un sistema estable, balanceado o inmutable, a esto Fuller llama equilibrio. El afirma que esto no implica que el equilibrio sea sinónimo de inactividad sino que el equilibrio es dinámico. Existen 3 clases de equilibrio: estable, inestable, e indiferente.

Equilibrio Estable: supongamos que apoyamos sobre su base en el suelo a un cono. Para hacerlo caer necesitamos desplazar su centro de gravedad con una fuerza X, si esta fuerza no logra desplazar el centro de gravedad el cono volverá a su posición inicial. Por lo tanto un cuerpo se encuentra en equilibrio estable cuando no tiene el peligro de caerse a menos de que su centro de gravedad sea traspasado. Equilibrio Inestable: Ahora si al cono lo apoyamos en su vértice, comienzan los problemas, primero es muy difícil conseguir que no se caiga ya que la superficie de contacto entre el cono y el suelo es mínima y segundo el centro de gravedad se encuentra más arriba que en el caso anterior. En caso que podamos conseguir que se mantenga en la posición, una ligera fuerza lo hará caer al suelo. Por lo tanto la inestabilidad produce vuelco. Equilibrio Indiferente: en este caso el cono se encuentra apoyado lateralmente, se mantendrá así si no lo movemos, en caso contrario, la fuerza lo desplazará pero este se mantendrá en su posición inicial pero en otro lugar.

83 TRIANA, Raúl. Aproximación a los sistemas móviles articulados. 2003

5.1.2 ESTABILIDAD FORMAL La estabilidad formal es la capacidad que tiene un sistema de mantener su forma. En los sistemas de geometría plana el único polígono que cumple con esta condición es el triangulo. Supongamos que los lados del triángulo son barras rígidas y las unimos entre si con tres articulaciones, al aplicar una fuerza este sistema no se deformará. Si hacemos lo mismo con un cuadrado y aplicamos una fuerza este se deformara en un rombo, y luego hasta formar una línea recta. Con el resto de polígonos tendremos también deformaciones. Entre mayor sea el número de lados las deformaciones se hacen menos predecibles y dependerán del sentido de la fuerza que se le aplique. Este efecto depende de los GRADOS DE LIBERTAD concepto que se explicara más adelante. Si triangulamos un cuadrado, es decir si adicionamos una barra entre dos vértices opuestos este tendrá estabilidad formal y en consecuencia no se deformará. Pero si adicionamos las dos diagonales seguirá siendo estable, pero tendrá un elemento que sobra, a esto se le denomina REDUNDANCIA. En sistemas de geometría espacial se da el mismo efecto de redundancia y grados de libertad, este último será la piedra angular del movimiento. Un sistema tiene estabilidad formal y no presenta redundancia si se cumple la siguiente igualdad: En sistemas de dos dimensiones:

2V = A + 3 En sistemas de tres dimensiones:

3V = A + 6

Donde V = al número de vértices y A = al número de aristas.

5.1.3 GRADOS DE LIBERTAD Se entiende por grados de libertad (GDL) de un sistema “al número de entradas

que se necesitan proporcionar, a fin de originar un movimiento predecible. Asimismo es el número de coordenadas independientes requeridas para definir su posición. También se define como el número de barras que le hacen falta al sistema para tener estabilidad formal. En la figura se muestra una barra colocada en un plano. Para determinar su posición en el espacio es necesario conocer las coordenadas (x,y) y el ángulo. Por esta razón la barra tiene tres GDL. Por lo tanto un cuerpo rígido en movimiento plano tiene tres GDL. Ahora bien, si esta barra se encontrara en un espacio tridimensional seria necesario conocer seis coordenadas para determinar su posición (las coordenadas X, Y y Z y sus respectivos giros). Entonces todo cuerpo rígido en movimiento en un espacio tridimensional posee seis GDL. Para determinar los GDL se emplean dos formulas que relacionan el número de barras con la cantidad y el tipo de articulación. La primera es la ecuación de Gruebler que sale de la ecuación que determina si un sistema es estable por lo tanto:

2V = A + 3 entonces GDL= 3(A - 1) - 2V

Donde: A= número de barras V= número de aristas Teniendo en cuenta un triangulo como un sistema plano de barras estático (figura 1) y el tetraedro como sistema espacial también estático (figura 2), se puede abstraer una ecuación donde es posible comparar polígonos o respecto a su estabilidad un sistema puede ser:

ISOESTATICO HIPOESTÁTICO y HIPERESTATICO

Es decir un sistema es ISOESTÁTICO cuando los elementos que conforman un sistema son si y solo si suficientes para garantizar la estabilidad del sistema. En geometría la relación entre vértices y aristas satisface la ecuación:

2V = A + 3 (2D) 3V = A + 6 (3D)

Cuando son HIPOESTATICOS la relación entre los elementos no garantizan la estabilidad del conjunto. En este caso el sistema cambia de posición y/o de forma. En geometría la relación entre vértices y es mayor a la de aristas entonces:

2V > A + 3 (2D) 3V > A + 6 (3D)

Cuando son HIPERESTATICOS existe una mayor cantidad de elementos que hacen que el sistema sea estable, estos elementos pueden quitarse y el sistema seguirá siendo estable. En geometría la relación entre vértices es menor a la cantidad de aristas entonces:

2V < A + 3 (2D) 3V < A + 6 (3D)

Por lo tanto cuando un sistema es hipostático hablamos de n grados de libertad y cuando un sistema es hiperestárico hablamos de n grados de redundancia. Al comparar las dos figuras (7 y 8) nos encontramos que primera tiene 1 grado de redundancia, por lo tanto es un sistema hiperestático. En cambio la segunda tiene dos tensores reemplazando las barras, como consecuencia, al valernos de la tracción de los tensores el elemento se convierte en un sistema isoestático, es decir, un sistema con estabilidad formal. Fuller planteó que al utilizar tensores en vez de barras para convertir a sistemas hipostáticos en isoestáticos era necesario adicionar el doble de cables por cada barra que se utilice como en la figura 8.

5.1.4 APOYOS Existen básicamente tres tipos de apoyos: apoyo empotrado, apoyo articulado y apoyo deslizable, cada uno de ellos con características específicas. Estos se encuentran presentes en los sistemas móviles donde el apoyo más popular es el articulado pero como veremos también existen casos en los que es posible utilizar los otros dos. Apoyo Empotrado: Los apoyos empotrados ante las fuerzan que interactúan en el sistema puede absorber fuerzas verticales, horizontales y momentos. Se

emplean en sistemas móviles al unir dos barras en direcciones diferentes donde se requiere que no exista ningún giro o desplazamiento debido a las fuerzas (ver tijeras anguladas). Si una barra está apoyada con un empotramiento este no permite que tenga grados de libertad.

Apoyo Articulado: Los apoyos articulados tienen la facultad de permitir giros (momentos) pero están en la capacidad de absorber fuerzas horizontales y verticales. Un ejemplo clásico es la bisagra de una puerta. En sistemas móviles son los elementos que reemplazan los vértices del sistema para permitir el movimiento del conjunto. Si una barra se encuentra apoyada en una articulación tiene un grado de libertad por el giro que permite esta unión. Apoyo Deslizable:

Los apoyos deslizables tienen la característica de absorber la fuerza perpendicular a su plano por lo tanto permite giros y desplazamiento. Este desplazamiento se genera por la fuerza vertical u horizontal pero no por ambas. Los mecanismos con deslizadores que veremos más adelante en el capitulo de cinemática son un buen ejemplo de apoyo deslizable. Si una barra se encuentra apoyada en un deslizador esta tiene dos grados de libertad por el desplazamiento y el giro que esta unión permite.

5.2 TIPOLOGIA DE SISTEMAS MOVILES En la última mitad del siglo XX un grupo de diseñadores se ha preocupado por el estudio de las estructuras móviles aplicadas en el campo de la arquitectura y el diseño industrial. Para el análisis de los sistemas móviles articulados se emplean los siguientes atributos: 1. Geométricos, estudio de su configuración geométrica, estableciendo su cualidades compositivas en términos lineales (la línea), por medio de mallas (la superficie) y espaciales (el volumen). 2. Tipos de movimiento, lineal, rotatorio o compuesto. 3. Generación y control de movimiento. 5.2.1 SISTEMAS MÓVILES Los sistemas móviles son ensambles estructurales con la capacidad de cambiar su forma usando mecanismos internos. Condiciones de un sistema Móvil: Un sistema puede presentar una o más de las siguientes condiciones: 1. Transformabilidad Capacidad de un sistema para adoptar múltiples configuraciones con el fin de responder diferentes requerimientos como: Plegabilidad: Capacidad del sistema para llevar sus elementos hacia líneas o puntos comunes en un periodo de tiempo corto, condensando sus elementos en paquetes pequeños. Variabilidad: Propiedad de cambio de forma del sistema sin presentar las condiciones de plegabilidad. 2. Transportabilidad Requerimiento básico que permite al sistema ser trasladado e instalado de forma fácil y rápida y que además sea capaz de adecuarse a las condiciones culturales y ambientales propias del lugar dependiendo de:

Su Liviandad: El peso de un Sistema Estructural Móvil es un factor fundamental ya que determina:

La facilidad de los desplazamientos. Magnitud de los esfuerzos que producen los elementos: la

presencia de movimiento incrementa los esfuerzos que producen los componentes del sistema estructural, ya que las reacciones de los elementos se le suma la fuerza de inercia. (Masa x aceleración).

Su Minimalización: se refiere al empleo de las mínimas cantidades de energía (material, fuerza, tiempo) para la construcción, funcionamiento y producción del movimiento del sistema estructural dinámico, cumpliendo al máximo con todos sus requerimientos. Su Modulación: la modulación implica que el sistema puede ser construido de manera sistemática y rápida a partir de elementos estandarizados empleando el menor gasto energético en el proceso de producción de componentes. 5.2.2 SISTEMAS DE PANELES Lo constituyen los sistemas compuestos por casquetes o paneles portantes los cuales obtienen su movilidad a partir del deslizamiento de la totalidad o parcialidad de sus elementos sobre guías (rieles). La transportabilidad es reducida limitando las características de las estructuras de soporte y las dimensiones de los paneles. Son sistemas normalmente pesados.

ANEXO 6. Decreto 2060 - Proyecto Arquitectónico

DECRETO 2060

24 de Junio de 2004

MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL

Por el cual se establecen normas mínimas para Vivienda de Interés Social Urbana

El Presidente de la República de Colombia, en ejercicio de sus facultades constitucionales y legales, en especial las que le confiere el numeral 11 del artículo

189 de la Constitución Política y el artículo 40 de la ley 3a de 1991

CONSIDERANDO

Que el artículo 51o. de la Constitución Política dispone que el Estado debe fijar las condiciones necesarias para hacer efectivo el derecho de todos los colombianos a una vivienda digna, promoviendo planes de vivienda de interés social, sistemas adecuados de financiación a largo plazo y formas asociativas de ejecución de estos programas de vivienda. Que en la medida en que la promoción de planes de vivienda de interés social se convierte en un imperativo para hacer efectivo el derecho a una vivienda digna, las normas relativas al aprovechamiento del suelo deben hacer viable el desarrollo de este tipo de planes; Que el artículo 40 de la ley 3a. de 1991 establece que el Gobierno Nacional reglamentará las normas mínimas de calidad de la vivienda de interés social, especialmente en cuanto a espacio, servicios públicos y estabilidad de la vivienda; Que el literal C.7 del artículo 8o. de la ley 812 dispone que con el fin de lograr el desarrollo sostenible de las ciudades, el Gobierno implementará el desarrollo de instrumentos y mecanismos de control para garantizar la calidad de los proyectos habitacionales; Que el artículo 26 de la ley 546 de 1999 dispone que los Planes de Ordenamiento Territorial deben facilitar la construcción de todos los tipos de Vivienda de Interés Social definidos por los planes de desarrollo y por las reglamentaciones del Gobierno Nacional, de tal manera que se garantice el cubrimiento del déficit habitacional para la Vivienda de Interés Social; Que el parágrafo del artículo 15 de la ley 388 de 1997 dispone que las normas para la urbanización y construcción de vivienda no podrán limitar el desarrollo de

programas de vivienda de interés social, de tal manera que las especificaciones entre otros de loteos, cesiones y áreas construídas deberán estar acordes con las condiciones de precio de este tipo de vivienda; Que se hace necesario establecer las normas mínimas para el desarrollo de programas de vivienda de interés social que aseguren el cumplimiento de los objetivos asumidos en la Constitución Política y demás normas mencionadas anteriormente; Que en mérito de lo anterior,

DECRETA

Artículo 1o. Adóptense las siguientes normas mínimas para la urbanización y construcción de viviendas de interés social (VIS) Tipo 1 y 2 1. Áreas Mínimas de lote para VIS Tipo 1 y 2: Tipo de vivienda Lote Mínimo Frente Mínimo Aislamiento

Posterior

Vivienda Unifamiliar

35 mts.2 3,50 ml (mts. lin.) 2,00 ml (mts. lin.)

Vivienda Bifamiliar 70 mts. 2 7,00 ml (mts. lin.) 2,00 ml (mts. lin.)

Vivienda Multifamiliar

120 mts. 2

2. Porcentaje de Cesiones Urbanísticas Gratuitas: El Porcenta mínimo de las cesiones urbanísticas gratuitas para el desarrollo de programas VIS Tipo 1 y 2 será del 25% del Área Neta Urbanizable, distribuído así:

Para espacio público Entre el 15% al 20% del Área Neta Urbanizable

Para equipamiento Entre el 5% al 10% del Área Neta Urbanizable

3. Densidad Habitacional. La Densidad Habitacional aprovechable será el resultado de aplicar las anteriores normas de lote mínimo y cesiones urbanísticas gratuitas sobre el predio objeto de

desarrollo y, en todo caso, se calculará buscando generar el máximo número de soluciones posibles en las condiciones de precio de las viviendas de interés social Tipo 1 y 2 que establecen las normas vigentes. Parágrafo 1. En cualquier caso las normas urbanísticas municipales y distritales sobre índices de ocupación y construcción, entre otros, no podrán afectar el potencial de aprovechamiento del área útil derivada de aplicar el área mínima de lote y el porcentaje mínimo de cesión urbanística gratuita de que trata este artículo Parágrafo 2. Para efecto de lo dispuesto en el presente decreto, se entiende por área neta urbanizable la que resulta de descontar del área bruta de un terreno que se va a urbanizar, las áreas para la locación de la infraestructura para el sistema vial principal y de transporte, las redes primarias de servicios públicos y las áreas de conservación y protección de los recursos naturales y paisajísticos. Artículo 2. Las normas contenidas en el presente decreto son de obligatorio cumplimiento por parte de quienes se encarguen del estudio, trámite y expedición de licencias de urbanismo y construcción de los Municipios, Distritos y del Departamento Archipiélago de San Andrés, Providencia y Santa Catalina. Artículo 3. El presente decreto rige a partir de la fecha de su publicación y deroga todas las disposiciones que le sean contrarias. Publíquese y cúmplase Dado en Bogotá D.C. a los 23 de junio de 2004.

SANDRA SUAREZ PEREZ

Ministra de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial

ANEXO 7. Titulo B, NSR-98 - Análisis de viento, Metodo completo84

84 Tomado de Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, NSR-98, Titulo B

Figura B.6.5.1. Velocidad del viento básico

ANEXO 8. Titulo A, NSR-98 - Método de la Fuerza Horizontal Equivalente85 ANÁLISIS DE LA FUERZA SÍSMICA Para el análisis de la fuerza sísmica el la vivienda se emplea el método de la Fuerza Horizontal Equivalente, cumpliendo con lo estipulado en el Capitulo A, Titulo A4 de la NSR-98. Los requisitos de este Capítulo controlan la obtención de las fuerzas sísmicas horizontales de la edificación y el análisis sísmico de la misma, de acuerdo con los requisitos dados en el Capítulo A.3 para la utilización del método de la fuerza horizontal equivalente. … Puede utilizarse el método de la fuerza horizontal equivalente en las siguientes edificaciones: (a) todas las edificaciones, regulares e irregulares, en las zonas de amenaza sísmica baja, (b) todas las edificaciones, regulares e irregulares, pertenecientes al grupo de uso I, localizadas en zonas de amenaza sísmica intermedia, (c) edificaciones regulares, de menos de 20 niveles ó 60 m de altura medidos desde la base, lo menor, en cualquier zona de amenaza sísmica, exceptuando edificaciones localizadas en lugares que tengan un perfil de suelo tipo S4, con periodos de vibración mayores de 0.7 segundos, (d) edificaciones irregulares que no tengan más de 6 niveles ó 18 m de altura medidos a partir de la base, lo menor, (e) estructuras flexibles apoyadas sobre estructuras más rígidas que cumplan los requisitos de A.3.2.4.3. Dos condiciones básicas para el análisis del sistema, obtener el periodo fundamental de la edificación y luego calcular las fuerzas sísmicas horizontales equivalentes. Este ejercicio se desarrolla a partir de la tabla 5 de FHE anexa en el capitulo 9, apartado 9.3, incluyendo los resultados de fuerza obtenidos anteriormente.

85 Tomado de Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente, NSR-98, Titulo A

METODO DE LA FUERZA HORIZONTAL EQUIVALENTE

ESPECTRO ELASTICO DE DISEÑO VALORES PARA DISEÑO

Tipo de Suelo Coefc. de suelo Grupo de uso Coefc. de Import.

S1 1,00 Iiv 1,30

S2 1,20 Iiii 1,20

S3 1,50 Iii 1,10

S4 2,00 Ii 1,00

Region Aa ZAS

10 0,45 Alta

9 0,40 Alta

8 0,35 Alta

7 0,30 Alta

6 0,25 Alta

5 0,20 Intermedia

4 0,15 Intermedia

3 0,10 Baja

2 0,08 Baja

1 0,05 Baja VALORES DE SUELO Y COEFICIENTES DE IMPORTANCIA

VALORES PARA DISEÑO

VALORES DE K

T<0,5 1,00

0,5>T<2,5 0,75+0,5T

T>2,5 2,00

T=Ct*hn^3/4

Ct 0,08 n (pisos)= 10,09

0,05 Ciudad Bogotá

Sa1= 2,5*Aa*I Si 0,30*S>T<0,48*S

Sa2= 1,20*Aa*S*I Si 0,48*S>T<2,4*S

T

Sa3= (Aa*I)/2 Si T>2,4*S VALORES DE K y PERIODO DE LA EDIFICACIÓN PERIODO DE LA EDIFICACIÓN Alternativamente el valor de T puede ser igual al período fundamental aproximado, Ta, que se obtenga por medio de la ecuación A.4-2. Ta = Ct * hn^3/4 (A.4-2) donde Ct toma los siguientes valores: Ct = 0.08 para pórticos resistentes a momentos de concreto reforzado y para pórticos de acero estructural con diagonales excéntricas. Ct = 0.09 para pórticos resistentes a momentos de acero estructural. Ct = 0.05 para los otros tipos de sistema de resistencia sísmica.

sgTaTa

hnCtTa

093.0)30.2(05.0 4/3

4/3

=×=

×=

5.00.120.05.2

5.2

=××=

=

SaSa

AaISa

ANEXO 9. Modelos DAC ALTERNATIVA 1 Fibra de Carbono + Epóxi y núcleo PUR_40 Modelo 1 - Datos de entrada (Angulo del laminado 0º, 90º, 45º, -45º) (Condición de apoyo numero 1, apoyado-apoyado)

Los datos que se ingresan al programa son: 1. Material del laminado: Fibra de Carbono + Epóxi AS4/3502 2. Material del núcleo: Poliuretano de alta densidad PUR 40 3. Numero de sublaminados: Dos capas cada una de 1.25 mm 4. Orientación de las laminas: 0º, 90º, 45º, -45º 5. Dimensiones del panel: Se toma la dimensión mayor que corresponde al panel 1 descrito en el apartado 9.2.1.1.1 6. Dimensión del núcleo: Espesor final de la espuma 60 mm 7. Carga aplicada: La resultante del análisis estructural Perpendicular al plano 8. Condiciones de apoyo Las especificadas en el apartado 9.4

Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera lámina

Máxima deflexión última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera lámina - Coeficiente de Seguridad

Coeficiente de Rotura última lámina - Coeficiente de Seguridad

Esfuerzos en el panel

Esfuerzo máximo en el laminado - Centro del panel

Esfuerzos Ínterlaminares - Centro del panel

Análisis por variación de ancho en el panel - Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera lámina

Máxima deflexión última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera lámina - Coeficiente de Seguridad

Coeficiente de Rotura última lámina - Coeficiente de Seguridad

Análisis por variación de la altura en el panel - Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera lámina

Máxima deflexión última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera lámina - Coeficiente de Seguridad

Coeficiente de Rotura última lámina - Coeficiente de Seguridad

Modelo 2 - Datos de entrada (Angulo del laminado 0º, 90º, 45º, -45º) (Condición de apoyo numero 2, empotrado-apoyado)

Los datos que se ingresan al programa son: 1. Material del laminado: Fibra de Carbono + Epóxi AS4/3502 2. Material del núcleo: Poliuretano de alta densidad PUR 40 3. Numero de sublaminados: Dos capas cada una de 1.25 mm 4. Orientación de las laminas: 0º, 90º, 45º, -45º 5. Dimensiones del panel: Se toma la dimensión mayor que corresponde al panel 1 descrito en el apartado 9.2.1.1.1 6. Dimensión del núcleo: Espesor final de la espuma 60 mm 7. Carga aplicada: La resultante del análisis estructural Perpendicular al plano 8. Condiciones de apoyo Las especificadas en el apartado 9.4

Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera lámina

Máxima deflexión última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera y última lámina - Coeficiente de Seguridad

Esfuerzos en el panel

Esfuerzo máximo en el laminado - Centro del panel

Esfuerzos Ínterlaminares - Centro del panel

ALTERNATIVA 2 Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo PUR_40 Modelo 3 - Datos de entrada (Angulo del laminado 0º, 90º, 45º, -45º) (Condición de apoyo numero 1, apoyado-apoyado)

Los datos que se ingresan al programa son: 1. Material del laminado: Fibra de Vidrio + Poliéster 100G Material del núcleo: Poliuretano de alta densidad PUR 40 3. Numero de sublaminados: Dos capas cada una de 1.00 mm 4. Orientación de las laminas: 0º, 90º, 45º, -45º 5. Dimensiones del panel: Se toma la dimensión mayor que corresponde al panel 1 descrito en el apartado 9.2.1.1.1 6. Dimensión del núcleo: Espesor final de la espuma 61 mm 7. Carga aplicada: La resultante del análisis estructural Perpendicular al plano 8. Condiciones de apoyo Las especificadas en el apartado 9.4

Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera y última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera y última lámina - Coeficiente de Seguridad

Esfuerzos en el panel

Esfuerzo máximo en el laminado - Centro del panel

Esfuerzos Ínterlaminares - Centro del panel

Análisis por variación de ancho en el panel - Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera lámina

Máxima deflexión última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera y última lámina - Coeficiente de Seguridad

Análisis por variación de la altura en el panel - Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera y última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera y última lámina - Coeficiente de Seguridad

Modelo 4 - Datos de entrada (Angulo del laminado 0º, 90º, 45º, -45º) (Condición de apoyo numero 2, empotrado-apoyado)

Los datos que se ingresan al programa son: 1. Material del laminado: Fibra de Carbono + Epóxi AS4/3502 2. Material del núcleo: Poliuretano de alta densidad PUR 40 3. Numero de sublaminados: Dos capas cada una de 1.25 mm 4. Orientación de las laminas: 0º, 90º, 45º, -45º 5. Dimensiones del panel: Se toma la dimensión mayor que corresponde al panel 1 descrito en el apartado 9.2.1.1.1 6. Dimensión del núcleo: Espesor final de la espuma 60 mm 7. Carga aplicada: La resultante del análisis estructural Perpendicular al plano 8. Condiciones de apoyo Las especificadas en el apartado 9.4

Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera y última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera y última lámina - Coeficiente de Seguridad

Esfuerzos en el panel

Esfuerzo máximo en el laminado - Centro del panel

Esfuerzos Ínterlaminares - Centro del panel

Análisis por variación de ancho en el panel - Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera y última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera y última lámina - Coeficiente de Seguridad

Análisis por variación de la altura en el panel - Máxima deflexión para la primera y la última lámina

Máxima deflexión primera y última lámina

Esfuerzo máximo para la primera y última lámina - coeficiente de seguridad

Coeficiente de Rotura primera y última lámina - Coeficiente de Seguridad

ANEXO 10. Módulos de diseño ANSYS86 ELEMENTOS ESTRUCTURALES PLANOS: PLANE42 Y PLANE82 El método de elementos finitos es útil en la solución de armaduras y estructuras utilizando elementos LINK y BEAM; sin embargo, el verdadero potencial del método se explota con las aplicaciones en dos y tres dimensiones. Se debe resaltar una vez más la importancia de planear adecuadamente el trabajo de modelamiento para representar los elementos bajo análisis, con el fin de limitar los posibles errores obtenidos en la solución. 10.1 ELEMENTOS PLANE42 Y PLANE 82 Los elementos PLANE encuentran su mayor aplicación en representaciones de estados de esfuerzo o deformación planos. Pueden también usarse como elementos axisimétricos (para modelado de problemas con simetría respecto a un eje). La Figura 10.1 muestra el elemento PLANE42; este elemento se define a partir de cuatro nodos que definen su sistema coordenado. Los nodos tienen dos grados de libertad: traslaciones en la direcciones X y Y. Se pueden definir cargas de presión sobre el elemento; en este caso, la identificación de las caras y las direcciones positivas son las indicadas en la Figura 10.1. El elemento requiere de la definición de las propiedades del material en direcciones ortogonales (material ortotrópico) y solicita el espesor si se desea trabajar con esta dimensión.

Figura 10.1. Elemento PLANE42

86 Tomado de ANSYS 9.0, Tutoriales

El elemento PLANE82 se observa en la Figura 10.2. Es una versión de mayor orden del PLANE42; se define con 8 nodos, lo que permite utilizarlo en enmallados que mezclen elementos rectangulares y triangulares. Es muy apropiado para el modelamiento de fronteras curvas debido a su forma. Puede tolerar formas irregulares del elemento sin pérdida de precisión en la solución.

Figura 10.2. Elemento PLANE82. Los dos elementos se pueden utilizar únicamente sobre el plano XY. Pueden usarse como elementos triangulares, aunque no es recomendado en el caso del elemento PLANE42. El elemento PLANE82 puede combinarse con el elemento triangular de seis nodos PLANE2 (Figura 10.3) en el caso de una geometría altamente irregular.

Figura 10.3. Elemento PLANE2 10.1.2 MODELAMIENTO EN 2D En los modelamientos con elementos bidimensionales se involucran por lo general muchos más elementos y nodos que en los modelos con elementos unidimensionales. Por lo tanto, hay mayores fuentes de posibles errores de ejecución y de precisión numérica. Los errores de ejecución se producen por un modelo sin suficientes restricciones, definiciones inadecuadas de elementos, constantes, materiales, etc. Estos errores son previstos por el programa, y ocasionan un mensaje de error o de advertencia. Los errores de precisión

numérica pueden producirse por tres causas: distorsión de los elementos, violaciones de compatibilidad de los elementos o matrices de rigidez mal condicionadas. La Figura 10.4 muestra varios ejemplos de distorsión de elementos cuadrilaterales; idealmente, los elementos deberían conservar una forma aproximada a la de un cuadrado. Pueden ocurrir problemas como grandes diferencias en longitudes de los lados, ángulos internos muy pequeños o muy grandes, etc. Todos estos problemas causan errores de precisión numérica.

Figura 6.4. Elementos con gran distorsión Pese a que los programas de elementos finitos revisan la compatibilidad entre los elementos usados para el enmallado, pueden ocurrir problemas como los mostrados en la Figura 10.5. Estos ocurren especialmente cuando se combinan elementos de diferente naturaleza (por ejemplo, un PLANE42 con BEAM2). Para evitar estos problemas, se debe tener presente que todos los nodos de un elemento deben estar conectados con nodos de otros elementos; un nodo no puede estar desconectado del resto de la malla.

Figura 10.5. Problemas de compatibilidad en los elementos En muchos análisis resulta adecuado acomodar la malla de acuerdo a las variaciones en la solución del modelo. Así, en áreas de variación lenta se pueden usar elementos grandes, y en áreas de variación rápida se deben usar elementos más pequeños para obtener una buena precisión. Es natural entonces utilizar una combinación de elementos grandes y pequeños para realizar el enmallado; sin embargo, si la transición entre elementos grandes y pequeños ocurre muy rápido, puede producir matrices de rigidez mal condicionadas en la solución del sistema. Un ejemplo de este tipo de problema se observa en la Figura 10.6.

Figura 10.6. Transición rápida entre elementos grandes y pequeños La precisión de la solución en modelos bi y tridimensionales depende de la habilidad del usuario para evaluar los resultados y obtener una solución numérica convergente. Esta convergencia se logra revisando cuidadosamente los resultados del modelo y refinando el enmallado de acuerdo a la necesidad de cada caso particular. 10.1.3 ESFUERZO EN CONDICIONES GENERALES DE CARGA ESFUERZO EN CONDICIONES GENERALES El estado general de carga más general en un punto dado Q puede representarse con la ayuda de un elemento cúbico diferencial como el mostrado en la Figura 10.7. Cada una de las caras puede estar sometida a un esfuerzo normal; las componentes mostradas son σx, σy y σz, que representan los esfuerzos normales en las caras perpendiculares a los ejes X, Y y Z. Los esfuerzos cortantes representados se nombran utilizando dos subíndices; el primero indica la superficie sobre la que se ejercen y el segundo indica la dirección de la componente. Por ejemplo, τxy indica un esfuerzo cortante ejercido sobre la cara perpendicular al eje X, y que actúa en la dirección Y. La Figura 10.7 representa las direcciones positivas de cada uno de los esfuerzos.

Figura 10.7. Estado general de carga Por condiciones de equilibrio se puede demostrar que:

ESFUERZO PLANO Se define el estado de esfuerzo plano como la situación en la que dos de las caras del cubo de la Figura 10.7 están libres de esfuerzo. Si el eje Z se escoge perpendicular a esas caras, se tiene σz= τzx= τzy=0, y las únicas componentes restantes son σx, σy y τxy, como se observa en la Figura 10.8. Esta situación puede presentarse en una placa delgada sometida a fuerzas que actúan en su plano medio, en la superficie libre de un elemento estructural o en vigas bajo cargas de flexión. Los estados de esfuerzo uniaxial (barra a tensión o compresión) y de cortante puro (eje en torsión) son casos particulares del estado de esfuerzo plano.

Figura 10.8. Estado de esfuerzo plano Los esfuerzos normales y cortantes varían continuamente sobre el elemento conforme giran los ejes respecto a los que se realiza el análisis, como se observa en la Figura 10.9. Siempre existirá una orientación particular de los ejes respecto a los cuales se obtienen los esfuerzos normales máximo y mínimo; estos esfuerzos se denominan esfuerzos principales, y los ejes respecto a los que se obtienen se denominan ejes principales. Los esfuerzos principales ocurren sobre planos mutuamente perpendiculares; es decir, si respecto a un eje cualquiera se obtiene el esfuerzo máximo, respecto a un eje girado 90° con respecto al anterior se obtendrá el esfuerzo mínimo. Los esfuerzos cortantes máximos ocurren en ejes rotados 45° respecto a los ejes principales. Estos valores máximos y mínimos son importantes en el momento de realizar diseños de elementos mecánicos.

Figura 10.9. Esfuerzos en diferentes orientaciones

El estado de esfuerzos de un elemento en particular puede representarse gráficamente mediante el círculo de Mohr, que se observa en la Figura 10.10.

Figura 10.10. Círculo de Mohr para esfuerzo plano El círculo de Mohr puede usarse para realizar un análisis tridimensional del esfuerzo. Esta aplicación se observa en la Figura 10.11.

Figura 10.11. Círculo de Mohr para análisis tridimensional del esfuerzo DEFORMACIÓN PLANA Si un elemento no puede deformarse en alguna dirección debido a restricciones impuestas por sus condiciones de montaje, se dice que el elemento está en estado de deformación plana. Puede ocurrir por ejemplo en una placa sometida a cargas uniformemente distribuidas a lo largo de sus bordes y que esté impedida para expandirse o contraerse lateralmente mediante soportes fijos y rígidos, como se observa en la Figura 10.12. Si se escoge el eje Z perpendicular a los planos en los que la deformación ocurre, se tendrá que εz= γzx= γzy=0. Las únicas componentes de deformación que restan son εx, εy y γxy. El estado de deformación plana puede analizarse también a través del círculo de Mohr.

Figura 10.12. Estado de deformación plana La Tabla 10.1 resume las características relevantes de los estados de esfuerzo y deformación planos.

Tabla 10.1. Comparación del esfuerzo plano y la deformación plana

ELEMENTOS ESTRUCTURALES PLANOS: SHELL63 Y SHELL93 10.2 ELEMENTOS SHELL63 Y SHELL93 Los elementos SHELL encuentran gran aplicación en el modelamiento de estructuras hechas a partir de láminas o en elementos de pared delgada. Algunas variaciones de este elemento (SHELL91) pueden utilizarse para modelar varias capas de elementos delgados, como ocurre en el modelamiento de materiales compuestos.

Figura 10.13. Elemento SHELL63 La Figura 10.13 muestra el elemento SHELL63. El elemento se define por cuatro nodos, y cada nodo tiene seis grados de libertad: tres de traslación y tres de rotación. Los ejes coordenados X y Y del elemento se definen en el mismo plano del elemento. El elemento tiene un espesor que se define en sus constantes reales; el espesor puede variar dentro del elemento. Además, el sistema coordenado del elemento define una cara superior (Top, número 1 en la Figura 10.13) e inferior (Bottom, número 2 en la Figura 7.1). Los números encerrados en círculo definen la identificación y dirección positiva de aplicación de cargas sobre las caras.

Figura 10.14. Elemento SHELL93

El elemento SHELL93 se muestra en la Figura 10.14 Este elemento es similar al SHELL63, pero define un nodo adicional en la mitad de sus caras, completando así ocho nodos por elemento. Es muy apropiado para modelar elementos con superficies curvas. El elemento puede usarse con forma triangular.

ANEXO 11. Modelos ANSYS MODELO PARA CONECTOR Y UN TERCIO DE PANEL ALTERNATIVA 1 Fibra de Carbono + Epóxi y núcleo PUR_40 Análisis de desplazamientos (en mt)

Desplazamiento en el eje x

Desplazamiento en el eje Y

Desplazamiento Total

Análisis de esfuerzos (en Pa)

Esfuerzo en el eje X

Esfuerzo en el Eje Y

Análisis de esfuerzos - detalles

Detalle esfuerzos en el eje X

Detalle esfuerzos en el eje Y

ALTERNATIVA 2 Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo PUR_40 Análisis de desplazamientos (en mt)

Desplazamiento en el eje X

Desplazamiento en el eje Y

Desplazamiento total

Análisis de esfuerzos - Detalles (en Pa)

Esfuerzo en el eje X - Detalle

Esfuerzo en el eje Y - Detalle

MODELO PARA PANEL COMPLETO ALTERNATIVA 1 Fibra de Carbono + Epóxi y núcleo PUR_40 Análisis del panel con cargas combinadas

Cargas aplicadas y condiciones de apoyo

Esquema de presión aplicada sobre el panel

Análisis de desplazamientos (en mt)

Desplazamientos por cargas combinadas

Desplazamiento por cargas combinadas - análisis vectorial

Desplazamiento total

Desplazamiento total - vista lateral

Desplazamiento total - vista planta

ALTERNATIVA 2 Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo PUR_40 Análisis del panel con cargas combinadas Análisis de desplazamientos (en mt)

Desplazamientos por cargas combinadas

Desplazamiento por cargas combinadas - análisis vectorial

Desplazamiento total

Desplazamiento total - vista lateral

Desplazamiento total - vista planta

MODELO PARA PANEL COMPLETO + CONECTORES ALTERNATIVA 1 Fibra de Carbono + Epóxi y núcleo PUR_40 Análisis del panel con carga puntual en el plano

Cargas aplicadas y condiciones de apoyo

Análisis de desplazamientos (en mt)

Desplazamiento en el eje X

Desplazamiento en el eje X - Detalle

Desplazamiento en el eje Y

Desplazamiento Total

Análisis de esfuerzos - Detalles (en Pa)

Detalle esfuerzos en el eje X

Detalle esfuerzos en el eje Y

ALTERNATIVA 2 Fibra de Vidrio + Poliéster y núcleo PUR_40 Análisis de desplazamientos (en mt)

Desplazamiento en el eje X

Desplazamiento en el eje Y

Desplazamiento Total

Análisis de esfuerzos - Detalles (en Pa)

Detalle esfuerzos en el eje X

Detalle esfuerzos en el eje Y

ANEXO 12. Nuevos materiales en otros sistemas de vivienda en Colombia 12.1 LOS SISTEMAS CONSTRUCTIVOS Y LOS NUEVOS MATERIALES FRENTE A LA NSR-98 El presente capitulo tiene por objeto analizar los sistemas propuestos en los objetivos específicos y que emplean materiales no convencionales para su construcción. En primer lugar se hará una descripción general de cada sistema para después, adjuntar los estudios hechos ante la NSR-98 y realizar el análisis comparativo de ventajas y desventajas propuesto al inicio del presente documento. 12.1.1 SISTEMA ROYALCO87 12.1.1.1 CLASIFICACION DEL SISTEMA 12.1.1.1.1. Según el tipo de construcción De acuerdo con este criterio este sistema se puede clasificar como industrializado tanto en su montaje in situ como en su proceso de producción de prefabricados en planta, ya que siguiendo un proceso repetitivo y ordinario permite la producción y montaje en serie de unidades de vivienda. 12.1.1.1.2. Según el alcance del proyecto Este sistema se puede clasificar como un sistema completo, ya que el sistema cubre con todos los requerimientos constructivos de una unidad de vivienda, a excepción de la cimentación. 12.1.2 INTRODUCCION AL SISTEMA El Sistema como tal nace en Canadá hacia 1.971 y bajo los lineamientos de la empresa Royal Group Techonologies quien es la encargada de implementar la construcción de unidades de vivienda bajo la utilización del PVC como material básico. Con la buena aceptación del sistema en el mercado de la construcción, la empresa decide crear agencias en otros países de Latinoamérica, teniendo muy buenos resultados en México y Argentina. Royalco S.A. es una empresa colombiana fundada en 1.997 como un “joint venture “entre Royal Group Technologies Ltda. de Canadá y Petco de Colombia. Actualmente fabrica y comercializa perfilería y acabados en PVC para la construcción. Su planta ubicada en Cartagena, está diseñada para una producción de 350.000 m² por año de construcción y 500.000 ventanas por año.

87 METROVIVIENDA, Vivienda de interés social, inventario de sistemas constructivos, Bogotá: Alcaldía Mayor de Santa fe de Bogota, Universidad de los Andes, 2000.

Es el representante exclusivo de la tecnología Royal para Colombia y el mercado andino. Este sistema maneja muros cargueros y está integrado por una serie de perfiles de PVC rígido, los cuales se ensamblan entre sí formando paredes, que se llenan en concreto fluido creando una estructura monolítica muy resistente. Se refuerza con varillas horizontales y verticales de acuerdo con el cálculo estructural. El sistema como tal, utiliza perfiles de Policloruro de vinilo (PVC) rígido perforados en forma lateral, tanto para muros como para techos. Estos perfiles actúan como un encofrado perdido, ya que en su interior se incorpora un hormigón común o celular, según el caso, que cumple funciones estructurales y de aislamiento térmico. Dicho aislamiento se complementa exteriormente con planchas de Poliestireno expandido bajo un "siding” también de PVC rígido. En los techos dentro del hueco de los perfiles se coloca un aislamiento térmico de lana de vidrio complementándose el techo con una cubierta de tejas de un compuesto de oxido de polifenileno. Los entrepisos en las viviendas de dos plantas, son resueltos utilizando vigas de chapa doblada sobre las que se instala una chapa galvanizada ondulada, que actúa como encofrado perdido, para una losa de hormigón armado de espesor y armadura según calculo estructural. 12.1.1.3. ELEMENTOS DEL SISTEMA 12.1.1.3.1. Componentes Los principales elementos constructivos involucrados en este proceso son:

COMPONENTES Perfiles básicos Perfiles y conectores para muros exteriores e interiores Perfiles solera superior de muros Perfiles para techo Placas de revestimiento exterior Tejas Royal Piezas de anclaje para perfiles conectores de techo Vigas de entrepiso Panel sanitario Vigas de cumbrera e intermedias Vigas de entrepiso

Tabla 12.1.1. Componentes

Perfiles básicos El sistema constructivo utiliza una serie de perfiles extrusados de PVC rígido perforados lateralmente, dependiendo su longitud de la altura o longitud del muro o de la luz a cubrir en el caso del techo. En cuanto a las perforaciones, estas se realizan en las caras laterales, es decir las que ponen en contacto un perfil con otro (o dentro de un mismo perfil una celda con otra), dándole continuidad al relleno estructural. Perfiles y conectores para muros exteriores e interiores Pueden ser de dos y tres celdas, vinculándose entre sí por conectores. El tamaño de las perforaciones es de 76,0 x 58,3 mm en el perfil de dos y tres celdas. La distancia entre centros de las perforaciones en todos los casos es de 83,3 mm. Perfiles solera superior de muros Hay dos tipos de estos perfiles: Perfil de solera superior horizontal para muros perpendiculares a la cumbrera y el perfil de solera superior inclinado para muros paralelos a la misma. En muros de cumbrera se utiliza un perfil de solera superior horizontal. Perfiles premarco de carpintería Se utilizan para ventanas y puertas. Perfiles para techo Se utilizan los mismos perfiles de dos y tres celdas que en los muros y como conector el de ensamble en “T”. Las aletas de este perfil perpendiculares al plano del techo, se emplean para sujetar las tejas Royal Noryl que provee el sistema. Como refuerzo estructural cada perfil de tres celdas lleva incorporado en una celda extrema un refuerzo de acero galvanizado “U” cada 33,33 cm. Cuando por razones estructurales o por deformaciones superiores a las admisibles resulte necesario, se incorpora otro refuerzo de acero galvanizado “U” en cada celda extrema opuesta a la anterior, resultando dos refuerzos cada 33 cm o en su defecto un perfil doble “T” de aluminio, a razón de uno por metro en la celda central del perfil de tres celdas. El aislamiento del techo que es de lana de vidrio, de espesor y densidad variables en función de los requerimientos de aislamiento térmico de la zona de la que se trate, se incluyen los perfiles y conectores “T” o bien se coloca entre el techo y la cubierta de tejas Noryl. Perfiles de solera superior de vigas de cumbrera y de vigas intermedias Se utilizan dos tipos diferentes de perfiles de solera superior según sea el caso de una viga de techo de cumbrera o de una viga de techo intermedia paralela a la cumbrera. Estos se utilizan para apoyo de los perfiles de techo. En correspondencia como una viga de techo de cumbrera el perfil se ajusta directamente en las guías de la misma viga. De la misma manera en

correspondencia con las vigas de techo intermedias el perfil se ajusta en las propias guías. Otros perfiles y piezas El sistema utiliza una serie de perfiles complementarios tales como: El de cierre de frente de los perfiles de techo, el perfil de alero sobre muro testero, los de contramarco de ventanas y puertas, el perfil para tapa de conducto vertical de electricidad y el de umbral de puerta exterior. Placas de revestimiento exterior “siding” Se trata de placas de PVC rígido de 3.81 m de longitud, previéndose el mínimo necesario de empalmes por paramento. En cuanto a su altura es de 237,71 mm abarcando dos ondas. El espesor nominal es de 1 mm. Este espesor se compone de dos capas, una superior, en contacto con el ambiente, llamada “capstock “que es resistente a la acción de los rayos ultravioleta y otra de base. El espesor de la primera es aproximadamente 25% del espesor total y la proporción del componente resistente es de diez (10) partes de dioxido de titanio por cada cien partes de resina. Tejas Royal de Noryl Se presentan en planchas de dimensiones nominales 552.7 x 991.0 / 1002.5 x 50.0 mm y 2 mm de espesor, con un diseño típico de teja colonial. El material que las compone es una resina Noryl fabricado en Canadá consistente en un compuesto de polifenileno y con una pintura exterior especial para protegerlas de la acción de los rayos ultravioleta. Piezas de anclaje para perfiles conectores de techo Hay cuatro tipos de anclaje de techo que se materializan en los perfiles conectores de los muros. Los mismos poseen cabezales de chapa galvanizada. Vigas de cumbrera e intermedias Cuando debe cubrirse una luz libre, se utiliza una viga de chapa de acero galvanizado, revestida en un perfil de PVC rígido. Sobre una viga cumbrera se inserta un perfil y sobre una viga intermedia otro. Básicamente se proveen tres tipos de vigas, una standard (RBS) de 1,60 mm, una reforzada (RLB) de 1,60 mm de espesor respectivamente, que se elegirán de acuerdo con la posición en planta, la carga y la luz libre. También se utilizan vigas intermedias de este tipo paralelas a la cumbrera cuando la luz de los faldones así lo exigen en función del cálculo estructural respectivo. Las vigas se apoyan y anclan a los perfiles conectores de las paredes internas y externas o cuando el diseño lo requiera sobre columnas aisladas con un anclaje. La fijación de los perfiles de techo con las soleras superiores sobre las vigas de cumbrera e intermedias se ejecuta con tornillos galvanizados cada 33,33 cm que se dimensionan de acuerdo con las cargas y anchos de influencia.

Vigas de entrepiso Se materializa con un sistema de vigas “U” dobladas en frío de acero galvanizado cuyas dimensiones se encuentran estandarizadas según tres tipos: RSJ, RXJ, RLJ. Sobre está estructura se apoya el entrepiso, cuyas características se definen según el calculo estructural. Panel sanitario El sistema utiliza generalmente un panel sanitario de tipo TAB – RAP de fabricación argentina. También pueden utilizarse instalaciones a la vista, montadas sobre el muro divisorio baño / cocina o empotradas dentro del muro ejecutado con el sistema. 12.1.1.3.2. Materiales Es un sistema que utiliza perfiles de Policloruró de vinilo (PVC) rígido perforados lateralmente en las paredes y techos. Estos perfiles actúan como un encofrado perdido, ya que en su interior se incorpora un hormigón común o celular, según el caso, que cumple funciones estructurales y de aislamiento térmico. Dicho aislamiento se complementa exteriormente con planchas de Poliestireno expandido bajo un "siding” también de PVC rígido. En los techos dentro del hueco de los perfiles se coloca un aislamiento térmico de lana de vidrio complementándose el techo con una cubierta de tejas de un compuesto de oxido de polifenileno. Los entrepisos en las vivienda de dos plantas, son resueltos utilizando vigas de chapa doblada sobre las que se instala una chapa galvanizada ondulada, que actúa como encofrado perdido, para una losa de hormigón armado de espesor y armadura según calculo estructural. El material complementario es el concreto reforzado de 210 Kg/ cm2, el cual es mezclado en obra. Se permite trabajar con concretos de 210 Kg/ cm2 (21 Mpa) con un tamaño máximo de agregado entre ¾” y 1.5” dependiendo del elemento a fundir. 12.1.1.4 CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES Este sistema maneja muros cargueros y está integrado por una serie de perfiles de PVC rígido, los cuales se ensamblan entre sí formando paredes, que se llenan en concreto fluido creando una estructura monolítica muy resistente. Se refuerza con varillas horizontales y verticales de acuerdo con el cálculo estructural. El sistema no es un sistema prefabricado; se trata de un sistema de construcción con muros vaciados en sitio, cuya única diferencia con un sistema de formaletas corrientes radica en el hecho que no hay una conexión continua del concreto entre módulos; las conexiones horizontales son intermitentes porque ocurren solamente a través de las perforaciones horizontales de los módulos. Esto equivale a decir que hay un aparente debilitamiento del concreto en los planos verticales de unión entre los módulos de formaleta, pero el sistema permite la colocación de refuerzo

vertical donde lo requiera el diseño estructural y de refuerzo horizontal en las perforaciones horizontales que se requieran. Para efectos de las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR – 98), el sistema constructivo se comporta como un muro en concreto. Sin embargo, no se encuentra contemplado explícitamente en la norma. 12.1.1.5. CONSIDERACIONES ARQUITECTONICAS 12.1.1.5.1. Posibilidades arquitectónicas El sistema es flexible en cuanto a las alturas de los elementos que componen los muros, por cuanto se pueden adicionar accesorios y manejar diferentes niveles. En cuanto a la construcción de curvas o formas con cierto grado de inclinación puede presentar ciertas limitantes. Para el manejo de fachadas se pueden manejar superficies que se colocan sobre los muros de fachada mediante remaches o el empleo de epóxicos, y que pueden dar la apariencia de diversos acabados como ladrillo, pintura, o baldosín. Se puede evaluar la posibilidad de manejar materiales como lana de vidrio o icopor incorporado a los muros para mayor aislamiento térmico y acústico. 12.1.1.5.2. Composición Geométrica La modulación del sistema facilita su aplicación en diferentes tipos de diseño arquitectónico. El sistema permite construir en altura hasta cinco pisos como se ha desarrollado en México y realizar otras variaciones que se salgan de la rigidez del diseño tradicional. 12.1.1.5.3. Acabados y color Los acabados presentan superficies lisas y brillantes en cuanto a muros se refiere, lo que puede considerarse como una ventaja o desventaja. En general la casa presenta un buen aspecto en sus diferentes elementos constructivos. De igual forma, el sistema es flexible en cuanto al acabado de muros y cielo rasos ya que permite la aplicación de otras alternativas como pañete, pintura, paneles con apariencias determinadas como ladrillo y papeles de colgadura. En cuanto al mantenimiento que debe hacerse en muros y otros elementos se reduce en costos y frecuencia, y su limpieza rutinaria se hace sencilla, pues tan solo utilizando una toalla y agua se le puede dar la apariencia original al material. Se logran ahorros por concepto de pintura y mantenimiento periódico de la misma, pero tal como se anotó, el sistema deja la elección al usuario de escoger el acabado que más prefiera.

12.1.1.6. PROCESO CONSTRUCTIVO 12.1.1.6.1. Recursos necesarios

ITEM DESCRIPCION

Mano de obra No requiere ser especializada, pero si debe recibir una instrucción inicial.

Equipo y maquinaria Herramientas menores, bomba / pluma.

Almacenamiento Almacenar bajo techo Tabla 12.1.2. Recursos necesarios 12.1.1.6.1.1. Mano de obra La mano de obra no requiere ser especializada, pero si debe tener cierta experiencia en procesos constructivos. Se realiza una inducción que consiste en una capacitación básica. En el desarrollo del sistema los trabajadores se identifican rápidamente con el sistema por ser un proceso repetitivo y secuencial, por lo que se pueden mejorar procesos y rendimientos habitualmente. 12.1.1.6.1.2. Equipo y maquinaria En cuanto a equipo y maquinaria no se requieren de tipo especializado, ya que cada uno de los procesos constructivos del sistema se pueden desarrollar manualmente y sus elementos no presentan pesos considerables. Se puede llegar a utilizar maquinaria tal como un buldozer o motoniveladora en la fase de movimiento de tierras y colocación y nivelación del relleno sobre el que irá cimentada la unidad de vivienda. En la fase de fundición, el concreto puede ser vertido directamente por los trabajadores o para el mejoramiento del proceso se puede realizar con una bomba pluma provista por la firma concretera. 12.1.1.6.1.3. Almacenamiento En caso de permanecer la perfilería y elementos del sistema expuestos a la intemperie, deben protegerse con algún techo o material que permita protegerlos de las condiciones ambientales. 12.1.1.6.2. Rendimiento El sistema está diseñado para lograr un rendimiento promedio de 60 m2 de construcción en cuatro días con tres trabajadores sin experiencia previa, independiente de cuales sean las condiciones climáticas del lugar, y partiendo de una cimentación ya construida.

12.1.1.6.3. Explicación del proceso El proceso constructivo está conformado por los siguientes pasos: • Se debe realizar la adecuación del terreno con un movimiento de tierras en el

sitio donde va a construirse la cimentación. En esta fase debe retirarse la capa vegetal y nivelar el terreno donde es conformado un relleno.

• Debe llevarse a cabo el replanteo del terreno por parte de la comisión de

Topografía. • Se lleva a cabo la fundición de la placa de cimentación, limitada por formaletas

en madera. Desde la placa son dejadas unas varillas de anclaje que permiten un comportamiento monolítico entre la cimentación y los muros.

• Las conexiones de las instalaciones eléctricas e hidrosanitarias se dejan listas

a partir de la placa de cimentación. • Se realiza la colocación de los perfiles que van a hacer las veces de muro.

Para la unión de perfiles entre sí son empleados otra clase de perfiles que sirven como conectores. La colocación de estos se hace de manera manual, deslizando uno contra otro aprovechando las superficies lisas de sus caras. Como guías para el armado de muros, son colocadas cuñas en madera. Se recomienda iniciar el armado de muros desde una esquina y avanzar en ambas direcciones con el fin de dar estabilidad. El sistema provee antepechos y dinteles, así como marcos de puertas y Ventanería.

• Después de ser colocados los muros, se nivelan y se les da plomada mediante

métodos tradicionales. Para mantener la posición de los muros, estos son arriostrados con párales y otros elementos alargados.

• Listos los muros, se procede a la fundición de los mismos mediante la ayuda

de una bomba / pluma o vertiendo el concreto en los compartimientos entre muros manualmente. Los ductos eléctricos son tapados para evitar su llenado. Se debe cuidar el nivel de muros, pues después de la fundición esta será su posición final. El vibrado de los elementos se realiza con la ayuda de un mazo de hule.

• Si se va a construir un segundo nivel, se utilizan para la placa de entrepiso el

mismo tipo de perfiles empleados para el armado de muros, pero colocados horizontalmente. El armado de la placa de entrepiso se realiza de forma idéntica a como se realizó en los muros. Sobre la placa de entrepiso se funde una losa de concreto de 5 cms aproximadamente.

• Se procede al armado de la cubierta colocando en la parte terminal del muro,

anclajes para el soporte de la estructura de techo. El techo es armado de manera similar que los muros.

12.1.1.6.4. Consideraciones especiales Para estructuras de un solo nivel no se requiere de un concreto con especificaciones especiales, tan solo que cumpla con una resistencia que esté por encima de los 210 Kg /cm 2. Si se sobrepasan los dos niveles, se debe acomodar a las recomendaciones del diseño estructural. 12.1.1.7. CONSIDERACIONES ECONOMICAS 12.1.1.7.1. Mano de obra Para la construcción de 60 m2 se requiere una cuadrilla conformada por tres personas, la cual en cuatro días puede alcanzar un rendimiento correspondiente a está área. 12.1.1.7.2. Costo por metro cuadrado El costo por m2 obtenido para este sistema puede oscilar entre $180.000 a $ 230.000 dependiendo del tipo de acabados. Los acabados que inciden principalmente en el costo final son los correspondientes al tipo de teja a ser colocado en la cubierta, ya que dependiendo del tipo que se utilice, incidirá significativamente. Por ejemplo, si se emplea la teja que es importada de Canadá o aquella que es producida en la planta en Cartagena, se obtendrá un valor que no es competitivo para vivienda de interés social. El valor por metro cuadrado incluye la fabricación e instalación de los elementos constructivos del sistema, estructura vertical, estructura horizontal, acabados y cubierta. No incluye cimentación. 12.1.1.8. BALANCE DEL SISTEMA 12.1.1.8.1 Evaluación funcional Para obtener los resultados que se darán a continuación se recurrió a fuentes bibliográficas, experiencia de ingenieros y arquitectos quienes a través de entrevistas aportaron importante información.

INTEGRIDAD DEL SISTEMA CONDICIONANTE Alta Media Baja

JUSTIFICACIÓN

Ante acciones mecánicas x Comportamiento del sistema agua x Paneles impermeables

sol x Aplicar un protector de rayos ultravioleta

Ante acciones climáticas

viento x Resistencia a fuertes vientos INTEGRIDAD

Ante animales y plantas x Comportamiento de los perfiles

Acciones directas del hombre x Adaptar puertas y ventanas contaminación x Mantenimiento periódico SEGURIDAD Acciones

indirectas fuego x Materiales incombustibles

Posibilidades arquitectónicas x Flexibilidad limitada del sistema

Construcción progresiva x Se adapta a otros sistemas

en ampliaciones horizontales FLEXIBILIDAD Constructiva autoconstrucci

ón x Bajo dirección técnica

Higrotérmico x Comportamiento del sistema Higiénico x No acumula residuos Acústico x Comportamiento del sistema

CONFORT AMBIENTAL

Visual x Buena iluminación y vista.

Geometría x Distribución rígida de espacios COMPOSICIÓN

Color x Acabado superficial de los perfiles

Tabla 12.1.3. Evaluación funcional 12.1.1.8.1.1. Integridad Agua No motiva a la generación de humedad en muros ni otros elementos, ni se oxida, corroe o enmohece. 12.1.1.8.1.2. Seguridad Ante acciones directas del hombre Ante acciones como robo y vandalismo se requiere proveer a la edificación de rejas en ventanas y puertas. Ante contaminación atmosférica El sistema puede llegar a presentar problemas por el efecto de lluvias ácidas, el cual se ha empezado a presentar en las grandes ciudades de nuestro país sin embargo aún no se ha podido medir su alcance. 12.1.1.8.1.3. Confort Ambiental Higiénico El sistema presenta buena aireación y su limpieza es fácil.

12.1.1.8.2. Evaluación técnica 12.1.1.8.2.1 Método constructivo EVALUACION TECNICA Alta Medi

a Baja JUSTIFICACION

Industrializado x

Proceso repetitivo y continuo, permite montaje en serie de diferentes viviendas.

Prefabricado x Los elementos constructivos son prefabricados

Necesita formaleta x No se requiere de formaleta, muros y cubierta son paneles en PVC

Posibilidad de reutilizar formaleta x No se requiere formaleta. Facilidad de Transporte x Los elementos son livianos y fáciles de

transportar Facilidad de almacenamiento x Bajo techo por largos periodos

(Container) Cuidados en la manipulación x Tener cuidado de no rayar los paneles Cantidad de mano de obra x Una cuadrilla de tres personas Calidad de la mano de obra x No requiere ser especializada Rendimiento en el montaje x En cuatro días se entregan dos

unidades de vivienda. Cuidados en el montaje x Tener cuidado de no rayar los paneles Control de calidad x Un proceso industrializado facilita los

controles de calidad No. de elementos que necesitan mantenimiento x Muros deben ser limpiados

Frecuencia del mantenimiento x Cada vez que se requiera Necesidad de técnicas especiales x No se requieren técnicas especiales Control de calidad en el mantenimiento x No se requiere un control especifico Construcción en altura

x Se pueden construir edificios hasta de 5 pisos, pero en Colombia se ha construido hasta dos pisos.

Tabla 12.1.4. Método constructivo Fabricación La fabricación de los elementos constructivos ha constituido la creación de una fábrica industrializada con todos los requerimientos necesarios para cumplir con especificaciones de calidad y seguridad. Al involucrarse procesos industriales, los controles de calidad se hacen más eficientes y continuos lográndose un proceso de producción seguro. Montaje de perfiles en la obra Para el montaje de los perfiles en obra no se requiere de mano de obra especializada ni seguir procedimientos complicados. Tan solo se debe mecanizar un proceso continuo y repetitivo que se aprende fácilmente. Los perfiles son manejados manualmente ya que no representan pesos considerables.

12.1.1.8.2.2 Materiales básicos

FACILIDAD PARA CONSEGUIRLOS EN BOGOTA

ACEPTACION SOCIO-ECONOMICA

REQUISITOS GENERACION DE DESPERDICIOS MATERIALES

BASICOS

Alta Media Baja Alta Medi

a Baja Altos Medios Bajos Alta Media Baja

Perfiles de PVC x x x x Concreto x x x x Instalaciones x x x x

Tabla 12.1.5. Materiales básicos La adquisición de materiales en PVC es media ya que estos dependen directamente de un solo proveedor y varios accesorios constructivos deben ser importados. La facilidad para que el sistema sea aceptado por la población depende de un proceso que se inicie para cambiar la mentalidad de la cultura de la construcción y vivienda en Colombia. 12.1.1.8.2.3 Maquinaria y equipo

ESPEC. TECNICAS (REND.-CAPACIDAD-ETC)

FACILIDAD DE ADQUISICIÓN MAQUINARIA Y

EQUIPO Alta Media Baja Alta Medi

a Baja

Bomba / pluma x x Herramientas menores x x

Tabla 12.1.6. Maquinaria y equipo No se requiere de equipo o maquinaria sofisticada. Tan solo se utilizan herramientas menores de fácil adquisición en cualquier parte y de igual forma transporte. Para el proceso de fundición es recomendable la utilización de una bomba/pluma que es provista por la firma concretera. 12.1.1.8.2.4 Mano de obra

EVALUACION PARAMETRO A EVALUAR Alta Medi

a Baja

JUSTIFICACION

Mano de obra calificada x No requiere ser especializada, pero sí recibir capacitación básica

Necesidad de entrenamiento x Capacitación básica Facilidades para conseguirla x Alta oferta de mano de obra para construcción No. De personas necesarias x Una cuadrilla de tres personas

Tabla 12.1.7. Mano de obra

12.1.1.8.2.5. Inclusión de subsistemas

SUBSISTEMA ELEMENTO PERTENECE AL SISTEMA

INCORPORADO EN OBRA

Cimentación x Estructura vertical x

Estructural

Estructura horizontal x Fachadas x Cubiertas x Tabiquería x Puertas x

Cerramientos

Ventanas x Pisos x Paredes x Techos x

Acabados

Exteriores x Hidráulica x Sanitaria x

Instalaciones

Eléctrica x Tabla 12.1.8. Inclusión de subsistemas 12.1.1.8.2.5.1. Estructura El sistema no incluye la cimentación. 12.1.1.8.2.5.2. Cerramientos La fachada es provista por el mismo sistema, quedando prácticamente lista al ser montada totalmente la vivienda. 12.1.1.8.2.5.3. Acabados Los acabados vienen incluidos en el sistema, ya que los perfiles presentan una superficie lisa, de buen comportamiento ante agentes externos y excelente presentación. Queda la posibilidad para el usuario de darle otro tipo de acabado a muros y cielo raso. 12.1.1.8.2.5.4. Instalaciones Las instalaciones son colocadas en obra durante la construcción, antes de llevarse a cabo la fundición, es imposible la colocación de estas una vez terminada la construcción. La fontanería se incorpora en obra. 12.1.1.8.3. Ventajas • La modulación del sistema permite que el diseño sea muy sencillo. • Una cuadrilla de tres personas pueden construir una casa de 60 m2 de un piso

en cuatro días, bajo cualquier tipo de condiciones climatológicas partiendo de una sencilla placa de cimentación.

• El sistema es ágil, y permite por ende construir con rapidez y limpieza. • El personal no requiere más que un entrenamiento sencillo y el empleo de

herramientas menores. • El sistema permite que la obra sea perfectamente controlada dentro de un

ambiente de orden, limpieza y seguridad. • La imagen que dan las viviendas al ser terminadas es agradable y estética. • El sistema presenta los siguientes aspectos a favor:

- Durabilidad - Buen comportamiento ante fuertes vientos - No se oxida, decolora, corroe o enmohece - Ningún insecto lo ataca - No requiere impermeabilización ni pintura

• No se requiere de productos especiales o procedimientos para la limpieza de

muros, entrepisos y cubierta, tan solo una toalla y agua. • Existe una amplia gama de productos que pueden ser incorporados al sistema en

cuanto acabados se refiere:

- Paneles decorativos - Tejas - Ventanas - Puertas - Superficies de diversos materiales

• Se pueden realizar acabados con:

- Pintura - Recubrimiento - Domos - Sistemas tradicionales

12.1.1.8.4. Desventajas • El sistema está compuesto por materiales prefabricados que deben ser

transportados desde la planta hasta el sitio de obra, por lo tanto esto conlleva a sobrecostos y un riesgo adicional que es el de mantener la integridad de los elementos.

• La cultura tradicional a la que esta acostumbrada la población y el sector de la

construcción en Colombia es la de construir bajo materiales y procedimientos tradicionales como concreto y ladrillo. Ese cambio hacia otras alternativas diferentes puede tornarse en un proceso lento y difícil.

• No permite cambios en forma sencilla, por la dificultad de romper los paneles en

PVC y concreto para llegar hasta las tuberías.

12.2 SISTEMA SPEEDCO88 12.2.1 CLASIFICACION DEL SISTEMA 12.2.1.1 Tipo de construcción El sistema constructivo SpeedCo es un método industrializado de obra seca, que se fundamenta en la tecnología de producción de paneles prefabricados en poliuretano expandido y fibrocemento. La estructura de las edificaciones esta compuesta por perfiles de aluminio que se fijan a la cimentación mediante herrajes de rápida instalación. Sobre la perfilería se adecuan los paneles que constituyen las paredes de la construcción. 12.2.1.2. Según el alcance del proyecto El sistema constructivo SpeedCo es un método que provee soluciones integrales. En la vivienda conforma la estructura vertical para edificaciones de una planta, paredes, puertas y ventanas y la cubierta. La cimentación y las instalaciones deben ser incorporadas al sistema, al igual que la estructura portante para viviendas de dos pisos. 12.2.2 INTRODUCCIÓN Soluciones SpeedCo Construcciones Inteligentes es una empresa productora y distribuidora de materiales para la construcción y de sistemas constructivos con características de rapidez y eficiencia en la producción de materiales. El fundamento tecnológico desarrollado en los sistemas constructivos es el Termo Wall (Sandwich de poliuretano expandido dentro de láminas de fibrocemento). La rapidez de la construcción se logra con elementos pre-diseñados, que no necesitan herramientas, equipos especializados ni requieren mano de obra calificada para su instalación. Además los elementos son de fácil transporte y la empresa brinda entrenamiento y capacitación en el sistema de construcción. SpeedCo se adapta a las necesidades concretas del diseño arquitectónico en estilo, formas, tamaños y usos, cumpliendo con normas constructivas locales e internacionales, aunque no se encuentra explícito en la NSR. Las edificaciones construidas con el sistema SpeedCo forman estructuras sismo-resistentes con paneles en Termo Wall que constituyen las paredes de la construcción. El sistema se complementa con puertas y ventanas metálicas que se instalan sobre los paneles. La cubierta es una estructura sobre la cual, mediante correas, se instalan las tejas.

88 METROVIVIENDA, Vivienda de interés social, inventario de sistemas constructivos, Bogotá: Alcaldía Mayor de Santa fe de Bogota, Universidad de los Andes, 2000.

Los materiales de construcción son entregados en las cantidades y medidas precisas sin generar escombros ni material de desperdicio y permitiendo la planeación estricta de la obra. Las características técnicas de los materiales, de aislamiento térmico y acústico, proveen confort y ahorro de energía en la edificación. 12.2.3. ELEMENTOS DEL SISTEMA

Láminas para panel Perfilería aluminio

Termo Wall Edificaciones 1 piso

Ventanería Vigas y columnas Entrepiso

ESTRUCTURA

Estructura metálica Edificaciones 2 pisos Láminas Termo

Wall Teja fibrocemento Correas CUBIERTA Cubierta liviana

Cielo raso Tabla 12.2.1. Elementos SpeedCo El sistema constructivo SpeedCo se basa en la tecnología Termo Wall, paneles que son producidos industrialmente y llevados a la obra en las cantidades requeridas y con las dimensiones y formas provenientes del despiece realizado por la empresa con el diseño arquitectónico. 12.2.3.1. Termo Wall El sistema de construcción SpeedCo es un método industrializado con características económicas y de limpieza en obra, basado en la tecnología de paneles Termo Wall. El panel esta conformado por dos láminas de 5 mm de espesor y Poliuretano rígido, espumado, encapsulado en su interior conformando una unidad monolítica de 35 mm, 65 mm o 120 mm de espesor. Las láminas superficiales de fibrocemento están compuestas por fibras de celulosa, cemento y resina sintética como refuerzo. Termo Wall se fabrica en láminas de 2.4 m de altura y 1.2 y 1.0 m de ancho que permiten la modulación de espacios sobre la unidad de metro, adaptándose a cualquier requerimiento constructivo. El acabado superficial se ofrece grabado o liso y tiene la opción de texturizarse para simular el ladrillo. Además el panel permite cualquier tipo de acabado en obra: pintura, papel o fachaleta. Los paneles son cortados en fábrica de acuerdo con los planos de despieces elaborados para la edificación del proyecto, según el diseño arquitectónico. Esta operación de fábrica no genera desperdicio, escombros ni residuos en la obra.

El peso de la lámina estándar de 35 mm de espesor es 16.4 kg / m2. Lo que hace que sea un material liviano que ayuda a que la cimentación de la edificación tenga especificaciones mínimas. Además los paneles son manejables por una persona, permitiendo su fácil transporte dentro de la construcción. Características Aislamiento térmico: La espuma rígida de poliuretano de baja densidad actuando como aislante térmico, combinado con las placas de fibrocemento garantizan un excelente comportamiento en todos los climas, ofreciendo una estabilidad térmica permanente. Conductividad eléctrica: El Termo Wall llega a clasificarse como un material aislante debido a su baja conductividad. Comportamiento dinámico: Cada lámina conforma una estructura de diafragma que se integra con las demás por medio de la estructura de aluminio. Estructuralmente los paneles son autoportantes para edificaciones de un solo piso. Comportamiento biológico: Termo Wall es inmune al ataque de hongos y microbios. El interior de la espuma es de olor neutro, no se pudre, no forma moho y fisiológicamente es inerte. Comportamiento a la humedad: La lámina se comporta como una placa impermeable que provee una barrera a la edificación. La retención de humedad en el panel no llega a ser mayor a 5% en volumen, lo que permite un conjunto de reducida retención acuosa e impermeable. Comportamiento al fuego: El interior de la espuma de poliuretano es incombustible y autoextinguible. Aislamiento acústico: Los valores de aislamiento acústico obtenidos con la interacción de los materiales utilizados en los paneles, son similares y algunas veces superiores a los obtenidos por aislamientos tradicionales de construcción como el ladrillo y los muros de concreto. 12.2.3.2. Perfilería de aluminio El montaje de las láminas de Termo Wall se realiza con base en la utilización de herrajes de unión. Estos perfiles de aluminio aseguran un acoplamiento perfecto, permitiendo ser montados y desmontados en la instalación. La perfilería queda a la vista o puede ser ocultada mimetizándola con pintura. 12.2.4. CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES Termo Wall (35 mm) no puede sobrepasar luces mayores de 6 m entre elementos sin refuerzo estructural adicional. No se debe utilizar como muro portante de una segunda planta o de apoyo de techos con pendientes muy pronunciadas (dependiendo de la longitud de la pendiente). Las edificaciones de dos pisos deben tener una estructura metálica que cargue la placa y consistencia a la

construcción. En este caso la estructura debe cumplir con los requerimientos propios de este tipo de estructuras. El sistema tiene estudios de sismo resistencia, que acompañan las memorias de los diseños estructurales, y sobre él se han realizado pruebas y ensayos, por parte de la empresa, avalados por la Asociación de Ingeniería Sísmica AIS. El comportamiento estructural según los requerimientos de la Norma NSR-98 se encuentra en estudio. Para conformar una estructura de diafragma los paneles son marqueteados por perfiles de aluminio según su disposición arquitectónica. Estructuralmente el sistema requiere una placa de cimentación de 10 cm de espesor mínimo. Los requerimientos de la estructura de fundación son bajos, proporcionales al peso de la edificación. Para garantizar el comportamiento estructural de los paneles de 35 mm las instalaciones deben ser ancladas en la superficie de los paneles. Las láminas de mayor espesor permiten perforarse para ocultar las tuberías. 12.2.5. CONSIDERACIONES ARQUITECTÓNICAS SpeedCo recibe el diseño arquitectónico del proyecto de vivienda y realiza un despiece de paneles del diseño inicial y al cual se le implementan los materiales para acabados de acuerdo con la disposición de recursos del proyecto en particular. Así el diseño arquitectónico no es impuesto sino desarrollado por la empresa productora. Las limitaciones en el desarrollo de espacios están asociadas a las impuestas por las características estructurales del sistema de construcción SpeedCo. 12.2.6. PROCESO CONSTRUCTIVO 12.2.6.1. Recursos necesarios 12.2.6.1.1. Mano de obra SpeedCo presta la asistencia técnica en la obra, en cualquier sitio donde se ubique el proyecto. Se capacitan cuadrillas de ensamblaje sin ningún costo adicional, directamente en obra; o si es el caso se programan jornadas en las instalaciones de la empresa. Las cuadrillas de instalación generalmente son de tres personas. 12.2.6.1.2. Equipo El equipo requerido para la instalación de los paneles consta de una dotación personal de herramientas para el instalador que está conformada de: casco, guantes, overol, gafas de seguridad, cinturón para herramientas y mascarillas desechables para cortes en seco de paneles. Termo Wall se trabaja con herramientas comunes. Un equipo completo de ellas ofrecerá mayor eficiencia en los trabajos. Este equipo consta de: flexómetro, lápiz o cimbra, escuadra metálica, nivel, martillo de uñas, rayador, serrucho, destornillador plano y de cruz, pistola de calafeteo, llana lisa y dentada, escofina gruesa, billamarquín, taladro 3/8”, segueta, martillo de caucho, caladora, remachadora, plomada, pulidora, atornillador eléctrico y martillo de bola.

12.2.6.1.3. Recepción, almacenamiento y manejo de los materiales Termo Wall se debe transportar sobre estibas, plataformas o tarimas planas en arrumes no mayores a 50 unidades, preferiblemente zunchado con protectores de espuma o cartón en sus bordes. El almacenamiento también debe realizarse sobre estibas o un entablado plano bajo cubierta, conservando los protectores de cartón hasta instantes previos a la instalación. La perfilería se entrega en tramos de 6 m para ser cortada en obra. Para almacenar los perfiles de aluminio se deben construir estantes, de modo que queden separados e identificados por sus secciones, de forma organizada. El lugar de corte de los perfiles debe tener espacio suficiente para producir la perfilería en las longitudes requeridas. 12.2.6.2. Rendimiento En obras efectuadas, trabajando con un equipo mínimo de 1 oficial y 2 ayudantes, se levantan hasta 35 m2 de panelería diariamente, incluyendo el tiempo utilizado en ir instalando las ventanas con las secciones de paneles. Aumentando el personal y siguiendo una curva de aprendizaje en el procedimiento, esta cifra será superior. 12.2.6.3.3. Sistema constructivo 12.2.6.3.3.1. Actividades preliminares Los elementos de Termo Wall deben ordenarse en forma lógica y consecutiva respecto al punto de arranque, basándose en los planos suministrados por la dirección de la obra. Esta labor economizará tiempo, y el alistamiento de los elementos en un solo lugar genera áreas libres para el trabajo y una sola fuente de basura. 12.2.6.3.3.2. Preparación del terreno En esta fase se deben retirar los materiales no apropiados para soportar la edificación como escombros, material vegetal, suelo suelto, etc. Igualmente se deben realizar los drenajes interiores y laterales necesarios, determinando los niveles necesarios de tuberías y del sistema de cimentación. 12.2.6.3.3.3. Construcción de la cimentación Las características del sistema hacen que no se necesite de cimentaciones especiales por las bajas cargas provenientes de la estructura. De acuerdo con las propiedades portantes del suelo y el tipo de estructura a cimentar (paneles o estructura metálica), la placa de cimentación en concreto varía en espesor. El proceso de construcción de la placa empieza con el mejoramiento del suelo con una capa de recebo compactado, para continuar con el armado del refuerzo y posteriormente con la fundida y afinado del concreto. 12.2.6.3.3.4. Replanteo de la edificación Sobre la placa de concreto se inicia el replanteo trazando el perímetro de la construcción con sus respectivas divisiones. El trazo se hace (preferiblemente), utilizando una cimbra de hilo con mineral rojo, o en su defecto con hilos o tiza.

12.2.6.3.3.5. Instalación de la base de los paneles Sobre el trazo se instala la totalidad de la perfilería en forma de U que servirá posteriormente de soporte a los paneles. Para la instalación primero se demarcan los lugares en los cuales se colocarán los tornillos. Este procedimiento se hace clavando una puntilla de acero, en el perfil como referencia y se marca la placa; después se retira el perfil y se procede a perforar la placa con taladro. Se introducen los chazos plásticos. El contorno de la edificación se fija con perno de anclaje de ¼” x 2 ¼” asegurándolos sobre la perfilería. Preferiblemente se debe comenzar a armar la construcción por la cocina y los baños, debido a la ubicación de las tomas y salidas de agua. 12.2.6.3.3.6. Instalación de los paneles Sobre la perfilería en U que delimita el perímetro y las divisiones de la futura construcción se inicia el proceso de colocación de los perfiles verticales que sostendrán posteriormente los paneles. Estos se colocan en las esquinas, remachándolos con los perfiles horizontales de la base con el fin de proporcionar mayor estabilidad a la construcción. Los paneles son manejados manualmente ensamblándolos en el interior o exterior del perfil dispuesto sobre la placa. Siempre debe iniciarse en una esquina. Se empalma a los perfiles y cuando ha ajustado perfectamente se procede a remacharlos. El ajuste de los elementos que conforman el panel (placas, perfiles y ventanería), se hace mediante golpes con un martillo de caucho. Por cada panel, según el tramo se instalan nuevos perfiles verticales, los cuales pueden ser en H, cuando continúa la pared, en U cuando termina el tramo o en L para rematar las esquinas. 12.2.6.3.3.7. Ventanería Las ventanas se instalan según los planos simultáneamente con la colocación de los paneles y la perfilería. En la sección donde corresponde una ventana, primero se dispone un panel en la parte inferior o antepecho, se coloca el perfil vertical que cierra el antepecho y se hace encajar la ventana que ya viene dispuesta para entrar en los perfiles. Encima se coloca otro panel a manera de dintel que cierra la sección. El avance de la construcción continúa colocando los paneles y la perfilería. 12.2.6.3.3.8. Cierre de la estructura El cierre lo conforma un remate horizontal a lo largo de los paneles colocando perfiles encima de las láminas para rematar el proceso de levantamiento. Se adecua el perfil y se remacha. 12.2.6.3.3.9. Cuchillas de la cubierta En los planos de cuchillas los perfiles verticales se cortan de manera que al colocarse se alcance la altura de la cuchilla y su respectivo nivel. Dentro de estos perfiles se colocan los paneles de cuchillas que se entregan cortadas de manera

que encajen en los espacios de la perfilería. El cierre es igual con la perfilería en U que se remacha sobre los paneles. Se deben fabricar cajas sobre los paneles de las cuchillas para introducir las correas, teniendo en cuenta que las distancias entre las correas deben estar de acuerdo con la referencia de las tejas o la longitud de ellas. 12.2.6.3.3.10. Cubierta La cubierta es un elemento de cerramiento compuesto por una estructura metálica basado en correas de lámina delgada soportadas sobre los paneles. Para la construcción de la cubierta se debe definir el tipo de correa, el número de tejas y la distancia entre apoyos. Para su instalación se colocan las correas sobre los paneles, sujetándolas con platinas que se aseguran, perforándolas y fijándolas con tornillos. Cuando las correas, de lámina metálica, superan los 6 m de longitud se deben unir utilizando trozos de madera (cuartones), que entran en las correas y se sujetan con tornillos y tuercas. Con la totalidad de las correas dispuestas, se amarran con una lámina lisa que fija su posición. Estos templetes se unen a las correas con remaches o varillas dispuestas en forma diagonal. Las tejas se colocan de derecha a izquierda o al contrario, iniciando en una de las esquinas inferiores de la cubierta, siguiendo de abajo hacia arriba. Se debe verificar la linealidad del voladizo de la teja en todo su trayecto. La unión transversal de las tejas se realiza mediante traslapo y remaches, y la unión longitudinal por traslapo y fijación con las correas por ganchos de amarre. El remate de las aguas de la cubierta se hace con caballetes en los que encajan las tejas. Estos deben ser fijados con amarres o alambres de fijación. 12.2.6.3.3.11. Instalaciones eléctricas Con base en el plano entregado al electricista, se ubican los puntos eléctricos, tomas, plafones, tablero de control, contador, acometida y salida de teléfono y televisor. Si la red va a la vista se comienza con el tendido de la canaleta que conformará el conducto, adosándola al panel de 35 mm. Opcionalmente los paneles (65 y 120 mm), pueden llevar la tubería pre-entubada en su interior desde fábrica. 12.2.6.3.3.12. Cielo raso (Cuando sea aplicable) Para la colocación del cielo raso se marca el nivel de altura y sobre esta marca se instalan los soportes de aluminio en L que sostendrán los paneles. El ángulo se fija alrededor del perímetro y se colocan los perfiles en T en las distancias previamente establecidas, según el tamaño de los paneles. Cada sección se soporta de las correas de la cubierta para garantizar la uniformidad y nivelación de la instalación, por medio de alambres.

12.2.6.3.3.13. Instalación de puertas Las puertas del sistema SpeedCo son de aluminio y vienen prefabricadas, lo que garantiza una construcción limpia. Las puertas según el diseño y materiales que las componen vienen fabricadas con sus respectivos marcos, para ser colocadas en los lugares previamente demarcados en el lugar de la construcción. Se fijan los marcos con tornillos en los 3 lados del vano, se instalan las bisagras de las puertas y se colocan estas, soportándolas sobre los muros. Se debe verificar la verticalidad del elemento con plomada e instalar la chapa. Las puertas de aluminio pueden tener como láminas placas de aluminio, fibrocemento o vidrio. 12.2.6.3.3.14. Acabados Cuando se utiliza pintura como acabado se deben encintar los perfiles para protegerlos de las manchas. Las paredes permiten también acabados de cerámica, estucos y papel de colgadura. Por las características superficiales del fibrocemento en los paneles, los acabados no tienen requerimientos especiales. 12.2.6.4. Consideraciones especiales El sistema constructivo SpeedCo es un método industrializado de obra seca, que se fundamenta en la tecnología de producción de paneles Termo Wall buscando la economía de la construcción con la eficiencia del proceso. Los materiales de construcción son entregados en las cantidades y medidas precisas sin generar escombros ni material de desperdicio y permitiendo la planeación estricta de la obra. Las características técnicas de los materiales, de aislamiento térmico y acústico, proveen confort y ahorro de energía en la edificación. El peso de la lámina ayuda a que la cimentación de la edificación tenga especificaciones mínimas. Además los paneles son manejables por una persona, permitiendo su fácil transporte dentro de la construcción. Para conformar una estructura de diafragma los paneles deben ser marqueteados por perfiles de aluminio según la disposición arquitectónica de las paredes. 12.2.7. CONSIDERACIONES ECONÓMICAS Los costos de un proyecto de vivienda que utilice el sistema SpeedCo son los derivados de la construcción de la estructura de Termo wall. El único equipo requerido es el descrito anteriormente en el numeral de recursos necesarios. La construcción con acabados básicos de vivienda de interés social, incluyendo todas las actividades desde la placa de cimentación hasta la cubierta en teja de fibrocemento, tiene un costo de $160.000 por metro cuadrado aproximadamente para unidades de un piso, en soluciones de más pisos debe incluirse el valor de la estructura metálica que se requiera. Este costo no incluye la instalación de la vivienda. Los volúmenes de construcción en proyectos grandes proporcionan

además economía en escala, ya que el mayor número de unidades producidas reduce los costos de fabricación. La economía en escala se obtiene a partir del rango entre las 50 y 100 unidades de vivienda. Con esta producción a gran escala es negociado el paquete total de casas que conforman el proyecto y no unidades de vivienda. 12.2.8. BALANCE DEL SISTEMA 12.2.8.1. Evaluación funcional

Integridad del sistema CONDICIONANTE Alta Media Baja

Justificación

Ante acciones mecánicas x Comportamiento de los paneles

Agua x Característica del Termo Wall

Sol x Buen comportamiento exterior

Ante acciones climáticas

Viento x Resistencia a fuerzas laterales

INTEGRIDAD

Ante animales y plantas x Inmunidad del Termo Wall

Acciones directas del hombre

x Adecuado uso y mantenimiento

Contaminación

x Materiales inertes SEGURIDAD Acciones indirectas

Fuego x Materiales incombustibles

Posibilidades arquitectónicas

x Flexibilidad del sistema

Construcción Progresiva

x Con la planeación inicial FLEXIBILIDAD Constructiva

Autoconstrucción.

x Bajo dirección técnica

Higrotérmico x Estabilidad térmica del panel

Higiénico x Buena conservación del panel

Acústico x Aislamiento del Termo Wall

CONFORT AMBIENTAL

Visual x Según diseño arquitectónico

Geometría x Adecuación de espacios COMPOSICIÓN Color x Acabado superficial de

las láminas Tabla 12.2.2. Evaluación funcional SpeedCo

12.2.8.2. Evaluación Técnica 12.2.8.2.1. Método constructivo Tabla 12.2.3. Método constructivo

EVALUACION TECNICA Alta Media Baja JUSTIFICACION

Industrializado x Paneles fabricados en planta Prefabricado x Transporte de elementos

precortados Necesita formaleta x No requiere formaleta Posibilidad de reutilizar formaleta No aplica Facilidad de Transporte x Elementos de bajo peso y

manejabilidad Facilidad de almacenamiento x Disposición de espacios cubiertos

y cerrados Cuidados en la manipulación x No necesita manejo especializadoCantidad de mano de obra x 1 operador y 2 instaladores Calidad de la mano de obra x Entrenamiento previo Rendimiento en el montaje x Elementos prefabricados y

precortados Cuidados en el montaje x Procedimientos adecuados de

instalación Control de calidad x Modulación de los elementos No. de elementos que necesitan mantenimiento

x Propiedades de durabilidad de los paneles

Frecuencia del mantenimiento x Propiedades de durabilidad de los paneles

Necesidad de técnicas especiales x Fácil instalación del sistema de paneles

Control de calidad en el mantenimiento x Tratamiento de materiales poco conocidos

Construcción en altura x Requiere estructura metálica vertical en altura.

12.2.8.2.2. Materiales básicos

FACILIDAD PARA CONSEGUIRLOS EN BOGOTA

ACEPTACION SOCIO-ECONOMICA

REQUISITOS GENERACION DE DESPERDICIOS MATERIALES

BASICOS Alta Media Baja Alta Media

Baja Altos Medios Bajos Alta Media

Baja

Paneles x x x x Perfilería aluminio

x x x x

Elementos fijación

x x x x

Puertas y ventanas

x x x x

Aunque la fábrica de los elementos de termo wall (paneles), se encuentra en Manizales la Gerencia Nacional de Ventas tiene su sede en Santa Fé de Bogotá. Los demás elementos de aluminio como perfiles, elementos de fijación, puertas y ventanas se consiguen con distribuidores de aluminio disponibles en le mercado. 12.2.8.2.3. Mano de obra

EVALUACION PARAMETRO A EVALUAR Alta Medi

a Baja

JUSTIFICACION

Mano de obra calificada x El personal utilizado requiere entrenamiento

Necesidad de entrenamiento

x Entrenamiento en actividades de poca especialización

Facilidades para conseguirla

x Disponibilidad de instaladores en el mercado

No. De personas necesarias

x 1 operador y 2 instaladores

12.2.8.2.4. Maquinaria y equipo

ESPEC. TECNICAS (REND.-CAPACIDAD-ETC)

FACILIDAD DE ADQUISICIÓN

MAQUINARIA Y EQUIPO

Alta Media Baja Alta Media

Baja

Taladro x x Pistola de calafeteo x x Serrucho x x Caladora pendular x x Pulidora x x

12.2.8.2.5. Inclusión de subsistemas

SUBSISTEMA ELEMENTO PERTENECE AL SISTEMA

INCORPORADO EN OBRA

Cimentación x Estructura vertical x

Estructural

Estructura horizontal x Fachadas x Cubiertas x Tabiquería x Puertas x

Cerramientos

Ventanas x Pisos x Paredes x Techos x

Acabados

Exteriores x Hidráulica x Sanitaria x Eléctrica x

Instalaciones

Gas Natural x 12.2.8.3. Favorabilidades El sistema constructivo tiene características de rapidez y eficiencia en los materiales. La rapidez de la construcción se logra ya que se cuenta con elementos pre-diseñados, no se necesitan herramientas, equipos especializados ni requieren mano de obra calificada. El sistema constructivo SpeedCo es un método industrializado de obra seca, que se fundamenta en la tecnología de producción de paneles Termo Wall buscando la economía de la construcción con la eficiencia del proceso. Los materiales de construcción son entregados en las cantidades y medidas precisas sin generar escombros ni material de desperdicio y permitiendo la planeación estricta de la obra. Para facilitar el montaje y transporte SpeedCo ha desarrollado soluciones integrales con paneles prensamblados y perfilería cortada, a través de diseños modulares y flexibles que se adaptan a cualquier montaje. La confiabilidad de los productos está garantizada con la implementación de estándares y normas de calidad en los sistemas de producción que tienen el Certificado de Aseguramiento de Calidad ICONTEC. Termo Wall ofrece características de durabilidad, resistencia y confort como: aislamiento térmico, conductividad eléctrica casi nula, comportamiento dinámico elástico, inmunidad biológica, baja retención de humedad, incombustible y autoextinguible, aislamiento acústico.

Los requerimientos de la estructura de fundación son bajos, proporcionales al peso de la edificación. El acabado superficial de los paneles se ofrece grabado o liso y tiene la opción de texturizarse para simular el ladrillo. Además el panel permite cualquier tipo de acabado en obra: pintura, papel o fachaleta. El equipo requerido para la instalación de los paneles consta de una dotación personal de herramientas comunes para el instalador. Los volúmenes de construcción en proyectos grandes proporcionan economía en escala, ya que el mayor número de unidades producidas reduce los costos de fabricación. 12.2.8.4. Desfavorabilidades El sistema no se encuentra explícito en la Norma NSR-98. Por lo cual las memorias estructurales que acompañan cada proyecto deben estar acompañadas por los estudios realizados por el productor. Termo Wall (35 mm) no puede sobrepasar luces mayores de 6 m entre elementos sin refuerzo estructural adicional. No se debe utilizar como muro portante de una segunda planta o de apoyo de techos con pendientes muy pronunciadas (dependiendo de la longitud de la pendiente). Con paneles con espesores mayores (65, 120 mm), se pueden alcanzar luces más grandes, sin embargo debe evaluarse económicamente su viabilidad en VIS. Las edificaciones de dos pisos deben tener una estructura metálica que cargue la placa y le den consistencia a la construcción. Existen limitaciones en el desarrollo arquitectónico de espacios, asociadas a las impuestas por las características estructurales del sistema de construcción SpeedCo. La progresividad de la construcción requiere la asistencia técnica del fabricante. La aceptación socio económica de los paneles de poco espesor todavía no es reconocida en algunos sectores de la población.

12.3 SISTEMA METECNO89 CLASIFICACION DEL SISTEMA 12.3.1. Según el tipo de construcción De acuerdo con este criterio este sistema se puede clasificar de dos formas, como industrializado in situ ya que siguiendo un proceso repetitivo y ordinario permite la producción en serie de unidades de vivienda y como prefabricado ya que todos sus elementos constructivos son fabricados previamente en planta. 12.3.2. Según el alcance del proyecto Este sistema se puede clasificar como un sistema completo, ya que el sistema cubre con todos los requerimientos constructivos de una unidad de vivienda, a excepción de la cimentación. INTRODUCCION AL SISTEMA La idea para la fabricación de paneles en línea continua con láminas prepintadas y aislamiento termoacústico surgió en los años 60, como resultado de una investigación para el desarrollo de sistemas modulares que agilicen la construcción. Desde entonces, el sistema se ha ido perfeccionando para entregar al cliente un producto competitivo. Este proceso fue liderado principalmente por la firma Metecno en Italia, con gran experiencia en la producción de paneles desde 1.967. Metecno suministra plantas y “Know how” para la producción de paneles metálicos a lo largo de todo el mundo. En Colombia, la incursión de esta empresa se inició en 1.999 con la creación de una empresa bajo el nombre Metcol. Esta empresa representa a nivel nacional a la multinacional Metecno, la cual ha construido una moderna planta para la producción de paneles y prefabricados metálicos en el sector de Santander de Quilichao, Departamento del Cauca, acogiéndose a los beneficios de la Ley Páez. Metecno desarrolla un procedimiento constructivo que emplea elementos prefabricados y que permite la industrialización in - situ de la construcción de vivienda, mediante el desarrollo de procesos repetitivos y continuos que motivan la producción en serie de unidades de vivienda. El sistema está compuesto por una gama de paneles metálicos aislantes autoportantes para aplicaciones constructivas muy diversas que van desde almacenes frigoríficos hasta construcciones de vivienda. Los paneles consisten en un sándwich entre láminas metálicas con relleno de poliuretano, y que puede presentar diferentes colores. Pueden ser utilizados como muros y cubierta.

89 METROVIVIENDA, Vivienda de interés social, inventario de sistemas constructivos, Bogotá: Alcaldía Mayor de Santa fe de Bogota, Universidad de los Andes, 2000.

ELEMENTOS DEL SISTEMA 12.3.3.1. Componentes Los principales elementos constructivos involucrados en este proceso son:

ESTRUCTURA PERFILES METALICOS O ESTRUCTURA METALICA

Perfiles en aluminio para un nivel. Para más de dos niveles estructura metálica

ENTREPISO

LOSA DE CONCRETO

Steel deck

CUBIERTA CUBIERTA Panel tipo sandwich con caras metálicas y relleno de poliuretano

MUROS CERRAMIENTO Y DIVISIONES

Panel tipo sandwich con caras metálicas y relleno de poliuretano

Perfilería en aluminio La estructura de soporte esta conformada por perfiles especiales de aluminio extruído. Estos perfiles forman un diafragma entre placa y muros. Estructura metálica Se trabaja estructura metálica para construir viviendas de más de un nivel. Muros interiores y exteriores Los muros interiores y exteriores están conformados por paneles tipo sándwich con caras en lámina metálica prepintada y alma en poliuretano rígido, autoextinguible y termoaislante. Cubierta La cubierta está conformada por paneles tipo sándwich similares a los de muros. Entrepiso Se trabaja con Steel deck que sirve como formaleta para la fundición de una losa de concreto de espesor mínimo. 12.3.3.2. Materiales Los materiales básicos del sistema son elementos prefabricados producidos por parte de Metecno en su planta. Estos materiales son transportados desde la planta hasta el sitio de obra, y entregados al usuario en forma de kit. El concreto es utilizado en la fase de cimentación para fundir una placa con refuerzo de malla electrosoldada que está entre 10 a 15 cm, dependiendo de los requerimientos estructurales, y en la fundición de la losa de entrepiso en caso de construirse más de un nivel.

CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES En el momento se adelantan estudios por parte de Metecno, para certificar estructuralmente el sistema y hacer las adecuaciones para un correcto funcionamiento, de acuerdo con las especificaciones de la Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR –98). CONSIDERACIONES ARQUITECTONICAS 12.3.4.1. Posibilidades arquitectónicas El sistema permite variar el módulo característico en función de sus dimensiones, con el fin de ajustar adecuadamente estas medidas a las requeridas. 12.3.4.2. Composición geométrica La presentación de la fachada es atractiva y tiene buena apariencia. Queda la posibilidad que algún diseño arquitectónico diferente se acomode a la modulación del sistema. 12.3.4.3. Acabados y color Las caras del panel están constituidas por láminas metálicas que llegan al sitio de montaje prepintadas y con acabados finales. Es decir, que al ser colocadas brindan un acabado superficial, que tiene la flexibilidad de ser cambiado por parte del usuario, aunque con un sobrecosto. PROCESO CONSTRUCTIVO 12.3.5.1. Recursos necesarios

ITEM DESCRIPCION Mano de obra No requiere ser especializada.

Disminuye la cantidad de mano de obra.

Equipo y maquinaria Herramientas menores Almacenamiento Almacenarla bajo techo.

12.3.5.1.1. Mano de obra La mano de obra para el manejo de los elementos constructivos del sistema no requiere ser especializada, pues prácticamente cualquier trabajador puede ser fácilmente entrenado en un período de 15 días para realizar operaciones sencillas que se repiten diariamente. De igual forma, no se requiere un elevado número de personal ya que los paneles son livianos y de fácil manejabilidad. 12.3.5.1.2. Equipo y maquinaria No se requieren grandes equipos ni maquinaria especializada, ya que el manejo y transporte de los paneles en obra se puede realizar por los mismos trabajadores. 12.3.5.1.3 Almacenamiento Si los perfiles no se van a utilizar por un período largo de tiempo, es recomendable almacenarlos y protegerlos bajo techo.

12.3.5.2. Rendimiento Un equipo de trabajo puede lograr una instalación diaria de unos 500 m2 de panel en obra, con una cuadrilla de 6 personas. Este dato aún se encuentra sujeto a estudios y a los análisis prácticos que se lleven a cabo. No existe un dato confiable en el momento de hacer este informe sobre el rendimiento por metro cuadrado de vivienda construida en Santa Fe de Bogotá. 12.3.5.3.3 Explicación del proceso El proceso constructivo está conformado por los siguientes pasos: Se debe realizar la adecuación del terreno con un movimiento de tierras en el sitio donde va a construirse la cimentación. En esta fase debe retirarse la capa vegetal y nivelar el terreno donde es conformado un relleno. Debe llevarse a cabo el replanteo del terreno por parte de la comisión de topografía. Se lleva a cabo la fundición de la placa de cimentación, limitada por formaletas en madera. Para llevar a cabo la conexión entre la placa y los perfiles, se emplean pernos de expansión que reciben el perfil que actúa como soporte de las láminas. Se arma toda la perfileria conformando la estructura de soporte. Se empiezan armar los muros exteriores e interiores consistentes en paneles tipo sándwich con caras metálicas y alma de poliuretano. Los muros son conectados entre sí por medio de conexiones macho – hembra. Las redes hidrosanitarias y eléctricas se instalan embebidas entre los paneles en la misma obra. Al colocar los paneles, los muros quedan prácticamente con acabados finales, pues estos elementos llegan a obra prepintados. Si se va a construir más de un nivel se debe trabajar con estructura metálica y como cerramiento se emplean los paneles tipo sándwich con relleno de poliuretano. Se realiza el armado de la cubierta la cual consiste en teja de lámina delgada por ambas caras prepintada y con un relleno de poliuretano. Se coloca la ventaneria y se realizan trabajos de carpintería en madera. CONSIDERACIONES ECONOMICAS 12.3.6.1 Costos Dada la velocidad de construcción, el sistema minimiza los riesgos de variabilidad de precios en los elementos básicos del costo directo de construcción, como lo son: Materiales, recursos humanos, y equipos. Además se reducen los costos indirectos y financieros. Se depende de un solo proveedor por lo que los sobrecostos por intermediación comercial desaparecen.

12.3.6.2 Mano de obra No se requiere de mano de obra especializada pero si se requiere que tengan cierta experiencia en el área de la construcción. Para lograr un rendimiento de 500 m2 / día, se requiere de una cuadrilla conformada por 6 personas. 12.3.6.3 Costo por metro cuadrado Al momento de realizar el presente documento no se había recibido la información correspondiente a los costos por metro cuadrado por parte de la firma representante del sistema en Colombia. Siendo está la única fuente confiable de información para este sistema, se debió omitir este dato del presente informe. BALANCE DEL SISTEMA 12.3.7.1. Evaluación funcional Para obtener los resultados que se darán a continuación se recurrió a entrevistas con el proveedor y al criterio de los autores del informe.

INTEGRIDAD DEL SISTEMA CONDICIONANTE Alta Media Baja

JUSTIFICACIÓN

Ante acciones mecánicas x Comportamiento del sistema

Agua x Comportamiento de los paneles

Sol x Comportamiento de los paneles

Ante acciones climáticas

Viento x Resistencia a fuertes vientos

INTEGRIDAD

Ante animales y plantas x Comportamiento de los paneles

Acciones directas del hombre x Requiere protecciones en ventanas

Contaminación x Mantenimiento periódico SEGURIDAD

Acciones indirectas Fuego x Materiales incombustibles

pero las láminas metálicas se pueden afectar.

Posibilidades arquitectónicas x Flexibilidad limitada del sistema

Construcción Progresiva

x Dificultad para llevar a cabo adiciones FLEXIBILIDAD Constructiva

Autoconstrucción

x Bajo dirección técnica

Higrotérmico x Aislamiento térmico del panel

Higiénico x Buena conservación del panel

Acústico x Aislamiento acústico del panel

CONFORT AMBIENTAL

Visual x Buena iluminación Geometría x Adecuación limitada de

espacios COMPOSICIÓN Color x Acabado superficial de las

láminas

12.3.7.1.1. Integridad Ante acciones mecánicas El sistema presenta un buen comportamiento ante acciones mecánicas y sismos por el bajo peso del sistema y por las características constructivas del mismo. En el momento, se encuentra en desarrollo por parte de la empresa, un estudio técnico que certifique este comportamiento favorable ante las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR – 98). Agua Presenta un buen comportamiento frente al agua. No motiva a la generación de humedad en muros ni otros elementos, ni se oxida, corroe o enmohece. Es impermeable 12.3.7.1.2. Seguridad Ante contaminación atmosférica El sistema puede llegar a presentar problemas por el efecto de lluvias ácidas y la contaminación, el cual se ha empezado a presentar en las grandes ciudades de nuestro país sin embargo aún no se ha podido medir su alcance. 12.3.7.2. Evaluación técnica 12.3.7.2.1 Método constructivo

EVALUACION TECNICA Alta Media

Baja JUSTIFICACION

Industrializado x Siguiendo un proceso repetitivo se obtienen unidades en serie

Prefabricado x Todos los elementos del sistema son prefabricados

Necesita formaleta x No requiere formaleta Posibilidad de reutilizar formaleta x No requiere formaleta Facilidad de Transporte x Los paneles son livianos y fáciles de

transportar Facilidad de almacenamiento x Bajo techo a largo plazo Cuidados en la manipulación x Fácil manejo por el peso de los elementosCantidad de mano de obra x Una cuadrilla de 6 personas Calidad de la mano de obra x No requiere ser especializada Rendimiento en el montaje x 500 M2 de panel / día instalados Cuidados en el montaje x Tener cuidado con la integridad de los

elementos Control de calidad x Facilidad de realizar controles por la

industrialización No. de elementos que necesitan mantenimiento

x Pintura en paneles metálicos

Frecuencia del mantenimiento x Cada vez que se requiera Necesidad de técnicas especiales x No se requieren Control de calidad en el mantenimiento x Marginal Construcción en altura x Se construyen hasta 3 niveles Tabla 12.3.4. Evaluación del sistema constructivo

Fabricación La fabricación de los elementos constructivos ha constituido la creación de una fábrica industrializada con todos los requerimientos necesarios para cumplir con especificaciones de calidad y seguridad. Al involucrarse procesos industriales, los controles de calidad se hacen más eficientes y continuos lográndose un proceso de producción seguro. Montaje de los paneles en la obra Para el montaje de los paneles en obra no se requiere de mano de obra especializada ni seguir procedimientos complicados. Tan solo se debe mecanizar un proceso continuo y repetitivo que se aprende fácilmente. Las formaletas son manejadas manualmente ya que no representan pesos considerables Materiales básicos

FACILIDAD PARA CONSEGUIRLOS EN BOGOTA

ACEPTACION SOCIO-ECONOMICA

REQUISITOS GENERACION DE DESPERDICIOS

MATERIALES BASICOS

Alta Media Baja Alta Media

Baja Altos Medios Bajos Alta Media

Baja

Perfiles en aluminio

x x x x

Paneles metálicos

x x x x

Cubierta x x x x Tabla 12.3.5. Materiales básicos La adquisición de los elementos prefabricados es media ya que estos dependen directamente de un solo proveedor quien los produce y coloca en el sitio que sea requerido. Este tipo de paneles todavía no tienen la mínima aceptación de materiales más tradicionales para la construcción de muros. Maquinaria y equipo

ESPEC. TECNICAS (REND.-CAPACIDAD-ETC)

FACILIDAD DE ADQUISICIÓN

MAQUINARIA Y EQUIPO

Alta Media Baja Alta Media

Baja

Herramientas menores x x Tabla 12.3.6. Maquinaria y equipo No se requiere de equipo o maquinaria sofisticado. Tan solo se utilizan herramientas menores de fácil adquisición en cualquier parte y transporte.

12.3.7.2.4 Mano de obra

EVALUACION PARAMETRO A EVALUAR Alta Medi

a Baja

JUSTIFICACION

Mano de obra calificada x No se requiere mano de obra especializada

Necesidad de entrenamiento x Curso de capacitación básica Facilidades para conseguirla x Amplia oferta de mano de obra No. De personas necesarias x Una cuadrilla de 6 personas

Tabla 12.3.7. Mano de obra 12.3.7.2.5. Inclusión de subsistemas

SUBSISTEMA ELEMENTO PERTENECE AL SISTEMA

INCORPORADO EN OBRA

Cimentación x Estructura vertical x

Estructural

Estructura horizontal x Fachadas x Cubiertas x Tabiquería x Puertas x

Cerramientos

Ventanas x Pisos x Paredes x Techos x

Acabados Exteriores x

Hidráulica x Sanitaria x Eléctrica x

Instalaciones

Gas Natural x

Tabla 12.3.8. Inclusión de subsistemas 12.3.7.2.5.1. Estructura El sistema no incluye la cimentación como un proceso que haga parte del sistema. 12.3.7.2.5.2. Cerramientos La fachada es provista por el mismo sistema, quedando prácticamente lista al ser montada totalmente la vivienda. 12.3.7.2.5.3. Acabados Los acabados vienen incluidos en el sistema, ya que los paneles presentan una superficie lisa, de buen comportamiento ante agentes externos y excelente presentación y que llega a obra prepintada. Queda la posibilidad para el usuario de darle otro tipo de acabado a muros y cielo raso, con un sobrecosto.

12.3.7.2.5.4. Instalaciones Las instalaciones son embebidas dentro de los paneles. 12.3.7.3. Favorabilidades Los paneles al tener alma de poliuretano, material aislante por excelencia, ofrecen resistencia al paso del calor o frió, por lo tanto son ideales para mantener temperaturas controladas en climas cálidos o fríos a un bajo costo. El sistema permite armar una vivienda de un piso en un mismo día y solo se necesita contar con placa de piso y los servicios para el montaje. La unidad de vivienda viene prearmada e incluye todos los accesorios para finalizar la instalación. El panel, por ser un elemento sandwich con poliuretano, evita la resonancia y transmisión de sonidos, al amortiguar la lámina el ruido ocasionado por estos. El sistema permite la aplicación de todo tipo de pinturas u otros acabados. El panel se puede lavar y limpiar sin deterioro del mismo. Por su modularidad, se pueden hacer diversos diseños arquitectónicos ofreciéndose viviendas con áreas entre 24 y 48 m2. De igual forma, se pueden acomodar los diseños a los requerimientos del usuario. Los paneles metálicos tienen alta resistencia al fuego, el alma de poliuretano contiene un agente antiflama que evita la propagación del fuego. 12.3.7.4. Desfavorabilidades Los paneles vienen listos en cuanto a pintura se refiere y queda la posibilidad para el usuario de aplicar la pintura del color que desee, pero igualmente esto trae los inconvenientes de tener un sobrecosto y de estar practicando un mantenimiento periódico a la superficie de muros y fachadas. El sistema está compuesto por materiales prefabricados que deben ser transportados desde la planta hasta el sitio de obra, por lo tanto esto conlleva a sobrecostos y un riesgo adicional que es el de mantener la integridad de los elementos. La tradición cultural de la población y el sector de la construcción en Colombia es la de construir bajo materiales y procedimientos tradicionales como concreto y ladrillo. No hay a la fecha información fidedigna de costos ni de rendimientos, lo cual dificulta su comparación con otros sistemas hasta tanto no se tengan estos datos. En el momento, se encuentra en trámite el análisis del sistema para verificar su cumplimiento con las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente (NSR – 98).

ANEXO 13. Normas sobre ensayos ENSAYOS TRACCIÓN Fig. Rotura a tracción de carbono/epoxi: superior: [0], inferior: [0/90].

5 55 35 15

110 10 60 10

300

ø d ø 2d

Ø =

5

20

ø d ø 2d

20

55

5

30

90

Probetas AENOR e ISO para ensayo de tracción de laminados unidireccionales

E

R B

L o

b

c

F

Tipo I

E

oL

2 agujeros Ø P*

b

P F

h

Tipo II

E

D

Lo

2 agujeros Ø P*

b

T T

P

h

F

Tipo III

Probetas UNE 34.280-79 para ensayo de tracción de tejidos

FLEXIÓN NORMA: ASTM D790

Ensayo de Flexión 3P

Ensayo de Flexión 4P

Fuerza aplicada

r

r

1

2

5 o

L

1

h

L/3

L/3

L/3

COMPRESIÓN NORMA: ASTM D3410 Ensayo de mordazas Ensayo de mordazas piramidales cónicas (Wyoming-Celanese) Norma ASTM D695 modificada por la Boeing Fig. Dimensiones t y D para las probetas de ensayo

Material t (mm) D (mm) [0] Unidireccional 1.00 3.00

[90] Unidireccional 2.50 7.50 Tejido 2.50 7.50

CORTANTE EN EL PLANO

Esquema de ensayo a cortadura mediante tracción de láminas a ±45. ASTM D3518 Ensayo de Iosipescu

o

e

a

1

b

o FL

Esquema de ensayo a cortadura según NFT57 554 y ASTM D3846

CORTANTE EN EL PLANO NORMA: ASTM D4255 Ensayo de dos carriles Ensayo de tres carriles

P

P/2P/212.7 mm.

Esquema de ensayo a cortadura según ASTM D2344

El esfuerzo cortante fuera de plano es muy difícil de determinar ya que va íntimamente ligado a la flexión y resulta muy complejo desacoplar ambos esfuerzos. La norma ASTM propone un ensayo de flexión en 3 puntos donde la flexión resulta prácticamente despreciable frente a cortante fuera de plano. Mediante este ensayo se pueden evaluar únicamente resistencia de cortante fuera de plano o ínterlaminar. IMPACTO

Guía del peso

Sección A - A

76

74

A A45

ø 90

74

3000

25

100

75

100

50

Probeta

175

30 200

507 76 50 7

400

Zócalo de hormigón

Soporte de acero

Angular soldado al soporte

50

7

9

50

1

DETERMINACIÓN DE TENACIDAD Ensayo de determinación de tenacidad a la fractura modo I Ensayos de determinación de tenacidad a la fractura modo mixto.

ANEXO 14. Bibliografía BIBLIOGRAFÍA ________, "Materiales modernos aplicables a la prefabricación del futuro", trabajo presentado en el seminario de Temas Selectos II en la Unidad de Posgrado de la Facultad de Arquitectura de la UNAM, México, agosto-noviembre de 1996. ________, "What is so special about nanostructured materials and coatings?", (ponencia presentada en la conferencia Nanostructured Materials and Coatings'95, EUA, 1995). ________, Nanosystems: molecular machinery, manufacturing, and computation, EUA, Wiley Interscience, 1992. DREXLER, K. Eric, Engines of creation, EUA, Anchor Books, 1986. DYSON, Freeman J., "El mundo, la carne y el demonio", conferencia sobre la obra de J. D. Bernal, Inglaterra, Birbeck College of London, 1972. FEYNMAN, Richard P., "There's plenty of room at the bottom" ponencia, EUA, Engineering and Science Magazine of California Institute of Tecnology, 29 de diciembre de 1959. Hollaway, Leonard (Editor), 1994, Handbook of Polymer Composites for Engineers, Woodhead Publishing, Cambridge, England. Kaw, Autar K., 1997, Mechanics of Composites Materials, CRC Press, New York, NY. KLUGER, Jeffrey, Can we stay young? New York, Time Magazine, 25 de noviembre de 1996, pp. 50-60. KRANTZ, Michael, Building a better world - Atom by atom, New York, Time Magazine, 2 de diciembre de 1996, pp. 66-67. LEMONICK, Michael D., Future tech is now, New York, Time Magazine, 17 de julio de 1995, pp. 34-39. Miller, Tara, 1998, Introduction to Composites, 4th Edition, Composites Institute, Society of the Plastics Industry, New York, NY.

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