Modular system in guadua bamboo with easy to be assembled metal connections for rural housing
Kevin Andrés Casallas Benitez(1)
Juan Camilo Sánchez Gutiérrez(1)
Caori Patricia Takeuchi(1)
(1) Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. kacasallasb@unal.edu.co juacsanchezgut@unal.edu.co cptakeuchit@unal.edu.co
Recibido: Julio, 2019
Aceptado: Noviembre, 2019
Doi: http://dx.doi.org/10.24133/ciencia.v22i1.1303
En respuesta a la coyuntura que vive Colombia debido a la implementación del acuerdo de paz firmado entre el gobierno y la guerrilla FARC-EP, se hace necesaria una solución habitacional para los nuevos pobladores de las regiones donde se desarrollaba el conflicto armado, que no puede estar fuera del contexto social, ecológico y económico. Es por esto que el bambú Guadua al ser un recurso natural, de fácil acceso y mínimo impacto se convierte en material viable para responder a este problema. Con el uso de conexiones metálicas prefabricadas se agiliza la construcción de viviendas rurales con elementos en guadua, además permitiendo a la estructura cambiar su configuración espacial, aumentando el número de módulos y así la cantidad de espacios habitacionales, según lo permitan las condiciones económicas de sus habitantes, realizando así una construcción progresiva.
En el presente documento se muestran los resultados obtenidos en el ensayo de módulos cúbicos de guadua con conexiones en cubos metálicos y su aplicabilidad para la construcción de viviendas de 1 y 2 pisos.
Palabras clave:
Bambú, Guadua, Estructuras en bambú, conexión viga-columna, bambú estructural.
In response to the situation that Colombia is experiencing due to the implementation of the peace agreement signed between the government and the FARC-EP guerrillas, a housing solution is necessary for the new inhabitants of the regions where the armed conflict was taking place, which cannot Be out of social, ecological and economic context. This is why Guadua bamboo, being a natural resource, easily accessible and minimal impact, becomes a viable material to respond to this problem. With the use of prefabricated metal connections, the construction of rural houses with elements in guadua is expedited, also allowing the structure to change its spatial configuration, increasing the number of modules and thus the amount of residential spaces, as permitted by the economic conditions of its inhabitants, thus carrying out a progressive construction.
This document shows the results obtained in the test of cubic modules of guadua with connections in metal cubes and its applicability for the construction of houses of 1 and 2 floors.
Key words:
Bamboo, Guadua, Bamboo structures, Beam and column joints, structural bamboo.
Para dar una solución al problema que se avecina con la firma de un “acuerdo de paz”, de dar vivienda digna y económica a miles de familias que volverán al campo, es necesario realizar viviendas con estructuras de fácil construcción y con materiales que se encuentren en las regiones, además, de garantizar que sean ecológicamente sustentables. La guadua ha demostrado su versatilidad en el uso como elemento estructural (Herrera & Takeuchi, 2009), de allí la necesidad de aprovechar este recurso.
La Guadua angustifolia Kunth (en adelante Guadua) es la especie de bambú más popular en Colombia, la que más se ha estudiado y la que mejor resultados tiene en pruebas de carga para uso como elemento estructural (Luna, Lozano, & Takeuchi, 2014), este se usa con popularidad en la región Cafetera y el Valle del Cauca (Colombia), principalmente para las estructuras agropecuarias y viviendas de 1 piso (Osorio et al., 2010).
Las conexiones entre elementos de guadua son objeto de estudio habitual debido a las múltiples formas en las que se pueden realizar las uniones, pero también a lo difíciles que pueden llegar a ser. Varios investigadores (Lamus, Plazas, & Luna, 2015; Takeuchi, 2004) han realizado ensayos de uniones con perno pasante en elementos de guadua, identificando que, las tensiones perpendiculares a las fibras, son uno de los grandes problemas, ya que la guadua es un material anisótropo con baja resistencia a la tracción perpendicular a las fibras (Takeuchi, 2004).
Los arquitectos Barnet y Jabrane (2019) implementaron una unión para los elementos en bambú, el cual se conecta desde la parte interna del culmo con un elemento tipo cono prefabricado, el cual elimina las perforaciones en la pared o aplicar cemento en los canutos, este tipo de unión de acuerdo a los datos ilustrados llega a una tensión máxima de 1750 kg.
Widyowijatnoko (2012) ha desarrollado una conexión que no utiliza mortero dentro del culmo, sino que usa un elemento flexible tipo cable que lo abraza, mientras atraviesa un perno que es sometido a tensión desde el interior, solucionando así el problema de las tensiones perpendiculares a las fibras y permitiendo una conexión de fácil y rápido armado. Este tipo de conexión es la más fácil de realizar, pues todos los elementos necesarios son de fácil adquisición.
Con el fin de desarrollar un tipo de conexión de fácil armado y que permita la reconfiguración de los módulos
para las viviendas, se partió de la investigación de Andry Widyowijatnoko (2012), quien ha realizado numerosos
ensayos en diferentes tipos de conexiones donde se pasa un cable de acero dentro de la guadua y un perno de
ojo cerrado, para transmitir las cargas del perno a la guadua y viceversa.
2.1. ENSAYO DE CONEXIONES
Se realizaron ensayos de las conexiones de los elementos en guadua como las utilizo en su tesis doctoral
Widyowijatnoko (2012), para validar cuales eran las mejores formas de amarre y los elementos más óptimos que
se pueden encontrar en el mercado colombiano.
En este ensayo se usaron pernos de ojo de ½” que se encuentran en el mercado cerrando el ojo con soldadura
MIG (ver figura 1) para garantizar que no se abriera frente a cargas de tensión, este perno fue enhebrado con
cable de acero de diámetro 1/4” y se utilizó la configuración de amarre propuesta por Widyowijatnoko (2012) que
se observa en la figura 2.
Figura 1. Cierre ojo perno.
Figura 2. Amarre propuesto por (Widyowijatnoko, 2012).
En las conexiones se amarraron los cables de acero con cuatro pernos, teniendo en cuenta lo que indica la norma NTP 155: cables de acero (Sabate, 1998), además se colocaron ojales metálicos en las perforaciones de la guadua (ver figura 3) para distribuir los esfuerzos en las paredes internas de la perforación.
Figura 3. Acabado amarre nudo guadua.
Se ensayaron 3 probetas (ver figura 4) con una longitud de 40 cm, diámetros y espesores como lo muestra la tabla 1, estas probetas fueron ensayadas a tensión, sujetando los pernos y separándolos a una velocidad de 5mm/min.
Figura 4. Probetas ensayo conexión sencilla.
Tabla 1. Dimensiones de probetas.
Las tres probetas presentaron resultados distintos, pero se muestra una pendiente similar en la ilustración carga vs desplazamiento de los tres especímenes, al llegar a la carga máxima no sufre una rotura final, sino que recibe un poco de carga más allá del desplazamiento de rotura.
Figura 4. Grafica- Carga vs Desplazamiento.
En las fallas de las probetas 1 y 2 se observa una falla tipo bloque de cortante como la que se presenta en las conexiones metálicas (ver figura 5), lo que indica que el cable de acero realiza una presión sobre la pared superior de la perforación del culmo mientras en resto del cable lo estrangula.
Figura 5. Falla tipo bloque de cortante.
La probeta número 3 presento una falla por tensión paralela a las fibras del culmo (ver figura 6), lo que la llevó a desarrollar mayor capacidad a la tensión (3625.9 kg).
Figura 6. Falla tensión paralela a las fibras.
2.2. DISEÑO DE NUDO METÁLICO
El nudo metálico donde se conectan los elementos se diseñó con la carga máxima que se obtuvo en el ensayo de conexiones, teniendo en cuenta los esfuerzos generados a cortante, axial y la perforación realizada en el nudo metálico (ver figura 7), este nudo está compuesto con láminas planas de calidad ASTM- A572 Gr50 con espesor de 3/16”.
Figura 7. Esquema nudo metálico.
Figura 8. Fotografía nudo metálico.
Los elementos que llegaran al nudo metálico son dos vigas, una columna y una diagonal, como se muestra en la figura 8, y se unirá entre ellos a través de pernos pasantes de ½” como se observa en la figura 9.
Figura 9. Nudo metálico con elementos.
Figura 10. Unión entre módulos y nudos.
La aplicación de las conexiones descritas en el capítulo anterior será en los módulos tridimensionales de guadua rolliza, estos módulos se describen a continuación.
3.1. CONCEPCIÓN Y DISEÑO
Para lograr un diseño de fácil armado, económico y rápida ampliación se tomó el concepto de juegos armables para niños, donde se pueden conectar elementos ortogonales (viga y columna) a través de una conexión típica usando el concepto de tornillo para los elementos y tuerca para el nudo, la capacidad máxima de los nodos es aquella que se obtuvo de los ensayos a tensión de la conexión de los elementos en guadua.
La rigidez de cada pórtico se logra mediante cuatro tensores verticales en diagonal, uno en cada sentido y repitiendo esto en ambas caras del nudo metálico, estos tensores diagonales se ubicarán en la estructura con el mismo concepto de muros de mampostería, esto con el fin de evitar la torsión de la estructura y soportar las cargas horizontales, de igual manera la estructura tiene un diafragma rígido el cual se logra mediante tensores horizontales que unen las cuatro esquinas del módulo.
Figura 11. Módulo espacial de dos pisos.
3.2. CONSTRUCCIÓN Y MATERIALES
Para la construcción del módulo se usaron materiales naturales y procesados por el hombre, a continuación, se describe el tipo de material, en que elemento se usa y sus características:
Tabla 2. Características guadua.
1 (Castillo, 2017) Datos de material del mismo proveedor y en condiciones ambientales similares.
Tabla 3. Tabla de Características cable de acero.
Tabla 4. Características nudo metálico.
A continuación, se describe el paso a paso del armado del módulo de prueba:
1. Se armo dos (2) cuadrantes horizontales, uno de piso segundo nivel y otro de techo primer nivel, los cuales están compuestos por cuatro (4) elementos tipo viga y cuatro (4) elementos tipo nodo.
Figura 12. Unión Viga-nudo.
2. Los cuadrantes se rigidizan utilizando los tensores para generar ángulos internos de 90° entre los elementos, así garantizar un diafragma horizontal.
Figura 13. Diafragma de módulo.
3. Se arma cuadrante de piso primer nivel, se izan columnas cortas y se conectan los cuadrantes armados en el paso 1.
Figura 14. Diafragma de módulo.
4. Las columnas largas son izadas y se conectan a las columnas cortas del módulo de primer nivel.
Figura 15. Verticalidad de nivel 1 y columnas de unión.
5. Se izan las columnas cortas del módulo superior y se une el techo del segundo nivel, se une las columnas largas con las columnas cortas del módulo superior.
6. Los cables de acero se conectas a los nodos y se inicia a dar verticalidad a la estructura por medio de estos cables.
Figura 16. Verticalidad de estructura.
3.1.TRANSFORMACIÓN DE MATERIAS PRIMAS.
Se realizaron dos ejercicios, el primero aplicando la carga directamente sobre la viga superior del módulo del segundo nivel y la segunda aplicando la carga horizontal en la parte superior del módulo por medio de un elemento en acero rígido, para aplicar la carga en la parte superior de las columnas con el fin de medir el desplazamiento y concluir la capacidad de este ante cargas sísmicas, el ensayo fue realizado en el laboratorio de estructuras de la facultad de ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.
Figura 17. Fuerza de flexión – desplazamiento en dirección perpendicular al plano de los paneles externos (a) prototipo 1 y (b) prototipo 2.
El equipo usado es el actuador horizontal con desplazamiento máximo de 70 cm y carga de 30 toneladas con un sensor de desplazamiento Panasonic FPXC30R.
Figura 18. Imagen de prueba de laboratorio.
Los resultados obtenidos se observan en la figura 19, con una carga máxima de 1162.47 kg y un desplazamiento de 400 mm para la carga aplicada obre la viga de guadua, y una carga de 2296 kg y desplazamiento de 74 mm para la carga aplicada sobre el extremo superior de las columnas; En ambos casos la falla se presentó en las diagonales que trabajaban a tensión (figura 20).
Tabla 5. Aplicación de carga y resultados.
Figura 19. Gráfica- Carga vs Desplazamiento en módulo.
Se observa que los primeros desplazamientos son excesivos para una carga tan baja, esto debido a que la estructura al momento de recibir carga comienza a acomodarse, tanto los tensores como las conexiones viga nodo, por ello se observa un cambio de pendiente en la curva (carga – desplazamiento).
Figura 20. Fotografía del módulo después del fallo.
4.1. MODELO NUMÉRICO DEL MÓDULO ESPACIAL.
Se realizo la modelación en el programa computacional SAP2000 (figura 14) para revisar las cargas que actúan sobre los elementos en el ensayo al módulo, de esta modelación se encontraron las siguientes cargas:
Tabla 6. Dimensiones de probetas.
Figura 21. Esquema de modelación en SAP 2000.
4.2. APLICABILIDAD.
Los módulos espaciales pueden ser usados para vivienda rural de dos pisos o casas de emergencia, que dada la precariedad en algunas regiones terminan por convertirse en soluciones permanentes, a continuación, se ilustra un espacio habitacional de dos niveles usando la configuración de módulos espaciales.
Figura 22. Isométrico estructura vivienda.
Figura 23. Planta arquitectónica primer nivel.
Figura 24. Planta arquitectónica segundo nivel.
El sistema presenta una rápida y limpia construcción, lo que facilita su uso para viviendas de emergencia y para la ampliación de estructuras existentes, el módulo de prueba se construyó en 4 días con 4 personas sin experiencia en construcción, lo que es una muestra de su facilidad.
De la modelación matemática y el ensayo realizado se identifica que los elementos que resisten la carga horizontal son los cables diagonales, como la falla se presentó en el gancho que conecta el cable con el nudo, la capacidad de la estructura se puede aumentar si se elimina el gancho del tensor y se remplaza por un ojo cerrado.
Es necesario aplicar la carga directamente sobre los extremos de las columnas, realizar una deformación previa y ajuste de los elementos, para eliminar los pequeños desplazamientos que se realizan en los elementos de la estructura por el ajuste de los cables de acero.
Para un mejor desempeño de la estructura es necesario utilizar elementos no estructurales muy ligeros, para disminuir la masa que actuara con la carga sísmica.
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© Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Sangolquí, Ecuador. CIENCIA - QUITO, Volumen 22, No. 1, Enero 2020
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