Análisis
de la deformación axial en columnas de prototipo de vivienda rural construido
con bambú en Bagua Chica, Perú
Analysis
of axial deformation in columns of a rural housing prototype built with bamboo
in Bagua Chica, Peru
Análise
da deformação axial em colunas de protótipo de habitação rural construído com
bambu em Bagua Chica, Peru
Emerson Cuadros
*, Guido Ordoñez
, Yesenia Santillan2 Jairo Danducho2
DOI: https://doi.org/ 10.55996/dekamuagropec.v4i1.144
RESUMEN
El objetivo 11 del desarrollo sostenible ONU promueve la
construcción de infraestructuras resilientes. En ese sentido, la región
Amazonas es productoras de bambú, presenta una oportunidad para desarrollar el
uso de esta planta y lograr dicho objetivo, es por ello que la presente
investigación ha explorado las propiedades mecánicas del bambú, para ello se ha
diseñado y construido un prototipo de vivienda rural a escala real para evaluar
el comportamiento axial de las columnas, de esta edificación frente a una carga
adicional permanente de 0.40 kN/m. También se ha monitorizado con un sistema
mixto: para la temperatura y humedad se ha utilizado sensores de bajo costo
calibrados montados sobre un sistema de prototipado electrónico de código
abierto que, mediante una conexión Wifi incorporado permitió enviar las mediciones
a una base de datos en la nube; por otra parte, para el control de los
desplazamientos se ha utilizado comparadores mecánicos calibrados, sus
mediciones se realizaron mediante un sistema de video inalámbrica. Los
resultados indican que se ha alcanzado una deformación máxima de Ɛ= 8x10-5 y
que las columnas aún se encuentran en el 1.6% del límite elástico lo que indica
un buen desempeño y un alto factor de seguridad.
Palabras claves:
Bambú, deformación Axial, Prototipo, vivienda rural, construcción bajo
costo, pruebas experimentales.
ABSTRACT
The UN Sustainable Development Goal 11 promotes the
construction of resilient infrastructures. In this sense, the Amazon region is
a producer of bamboo, which presents an opportunity to develop the use of this
plant and achieve this goal, which is why this research has explored the
mechanical properties of bamboo, for this purpose a prototype of a full-scale
rural house has been designed and built to evaluate the axial behavior of the
columns of this building against an additional permanent load of 0.40 kN/m. It
has also been monitored with a mixed system: for temperature and humidity it
has been used low cost calibrated sensors mounted on an open source electronic
prototyping system that, through an embedded Wifi connection allowed sending
the measurements to a database in the cloud; on the other hand, for
displacement control it has been used calibrated mechanical comparators, their
measurements were performed through a wireless video system. The results
indicate that a maximum deformation of Ɛ= 8x10-5 has been reached and that the
columns are still at 1.6% of the elastic limit which indicates a good
performance and a high safety factor.
Keywords: Bamboo, Axial deformation, Prototype, rural housing, low-cost
construction, experimental tests.
RESUMO
O Objetivo de Desenvolvimento
Sustentável 11 da ONU promove a construção de infraestruturas resilientes.
Neste sentido, a região amazónica é produtora de bambu, o que representa uma
oportunidade para desenvolver a utilização desta planta e atingir este objetivo,
razão pela qual esta investigação explorou as propriedades mecânicas do bambu,
pois foi concebido e construído um protótipo de habitação rural à escala real
para avaliar o comportamento axial das colunas deste edifício face a uma carga
adicional permanente de 0,40 kN/m. Foi também monitorizado com um sistema
misto: para a temperatura e a humidade, foram utilizados sensores calibrados de
baixo custo montados num sistema de prototipagem eletrónica de código aberto,
que, através de uma ligação Wifi integrada, permitiram enviar as medições para
uma base de dados na nuvem; por outro lado, para o controlo do deslocamento,
foram utilizados comparadores mecânicos calibrados, cujas medições foram feitas
através de um sistema de vídeo sem fios. Os resultados indicam que foi atingida
uma deformação máxima de Ɛ= 8x10-5 e que as colunas ainda se encontram a 1,6%
do limite elástico, o que indica um bom desempenho e um elevado fator de
segurança.
Palavras-chave: Bambu,
Deformação axial, Protótipo, habitação rural, construção de baixo custo,
ensaios experimentais.
INTRODUCCIÓN
El bambú es una planta de la familia
de las gramíneas y un material mixto bifásico de gradiente natural compuesto
por fibras y células de parénquima (Yuan et al., 2019; Jing Yuan et al., 2021).
Se utiliza ampliamente para la construcción en diferentes partes del mundo, con
un mayor índice en países orientales y en regiones selváticas de América.
Aunque, se tiene constancia de su uso desde épocas precolombinas
(Hidalgo-Lopez, 2003), en la región selva, como se muestra en la Figura 1, las
construcciones típicas rurales en su mayoría se realizan con madera y no con
bambú. No obstante, el uso del bambú está muy extendido en países orientales
como las áreas tropicales y subtropicales de China, donde su uso data de más de
7.000 años (Chen et al., 2020), principalmente como componente estructural de
las edificaciones( Chen et al., 2020; Nie et al., 2021) esto está relacionado
generalmente con lugares de bajos recursos económicos y de países como India,
Filipinas, Colombia, Ecuador y Etiopía, generalmente llamadas "casas
Mizo", "cabañas Nipa", "Bahareque". , “Quincha” y
“Sidama” (Chen et al., 2022). El bambu también se puede utilizar en la
construcción de puentes, pasarelas (Paraskeva, 2017), andamios (Chung & Yu,
2002), el primero se construyó hace 5000 años, encofrados de puentes y
edificios. Las zonas de Bagua tienen similares características climáticas a la
región, por lo que su aplicación pudiera ser posible. Actualmente, el uso de
bambú está restringido a familias menos favorecidas y su uso en la ejecución de
obras civiles, es mínimo debido a la falta de conocimiento y praxis entre los
constructores de esta región. A pesar de esto existe una mínima industria del bambú
que mantiene activo este flujo.
El bambú tiene ventajas, tales como
la corta tasa de crecimiento y ciclo de rotación, lo que permite que se pueda
utilizar con mayor frecuencia, ser renovable y ecológico lo que le convierte en
una mejor opción, desde el punto de vista ambiental, a otros materiales de
construcción como ladrillos, cemento y acero. Además, sus buenas propiedades
mecánicas y ecológicas (Ghavami, 2005; Tian et al., 2019; van der Lugt, 2006),
convierten al Bambu en un candidato para la sustitución de madera cuya
extracción no planificada causa daños irreparables en la Amazonía peruana.
Figura. 1. Viviendas típicas de las comunidades nativas de la región Amazonas.
Existen diferentes normas para la
construcción con Bambu, E.100 del Perú (Ministerio de vivienda, 2012), guía
práctica de Bambú caña Guada de Ecuador (Instituto Ecuatoriano de
Normalizacion, 2000) y la norma NSR 10 de estructuras de madera y Aguada de Colombia
(Sísmica, 2012), sin embargo, estas normas son generales y conservadoras. Es
por ello que se diseñó un programa experimental para analizar el comportamiento
axial de las columnas de Bambu en un prototipo a escala real y ubicarlo en una
zona representativa de la región Amazonas para que pueda emular condiciones
similares a las actuales viviendas rurales que existen.
MATERIALES Y MÉTODOS
La campaña experimental tuvo lugar en la comunidad
de El Horno de la provincia de Bagua, Región Amazonas en Perú (Figura 2), en
las instalaciones de la Universidad Nacional Intercultural “Fabiola Salazar
Leguía” de Bagua (UNIFSLB), el clima se caracteriza por ser Semiseco con
humedad abundante todas las estaciones del año que se clasifica de forma Cálido
(C (r) A') (Senamhi, 2020) con un promedio de temperatura de 30-32 ºC, siendo
la mínima de 18 ºC y máxima de 43 ºC (Estela Urbina et al., 2020).
La secuencia de trabajo para obtener los objetivos
de la investigación se acumula en tres paquetes de trabajo los cuales se
detallan en las secciones siguientes:
1. Análisis de las propiedades de los materiales:
Comprendido la investigación detallada del estado del arte sobre los materiales
presentes en la investigación como es el bambú y el acero corrugado.
2. Definición del modelo estructural: Consistió en
diseño de la edificación de vivienda rural, elaboración de planos del prototipo
a escala real, diseño de la estación meteorológica local y sistema de
transmisión de datos. Además, en esta etapa se desarrolló la construcción del
prototipo, el montaje del setup de medición, colocación de los sensores de
medición y las pruebas de transmisión de datos a la nube.
3. Procedimiento de ensayo: Se desarrollo la
evaluación de las deformación axiales de las columnas en el prototipo, debido a
falta de una norma específica el procedimiento se ha adoptado realizar en dos
etapas de carga: la primera de una precarga constante con el fin de estabilizar
el prototipo para eliminar errores de construcción y desplazamientos locales en
las conexiones; la segunda etapa se realiza la aplicación de una carga
constante a fin de investigar las capacidades de deformación axial. Durante las
dos etapas se ha realizado un monitoreo constante de la temperatura y humedad
mediante sensores colocados en la zona de estudio.
La medición de la temperatura y
humedad se ha realizado cada hora salvo en que las condiciones ambientales
dificultaron la conexión con la estación meteorológica, para la medición del
desplazamiento se ha utilizado un sistema de vigilancia inalámbrico el cual ha
permitido tomar lecturas de la columna central, para los 5 comparadores
restantes se ha tomado lecturas al inicial y final del ensayo.
Figura 2. Ubicación geográfica
del caso de Estudio: a) A escala regional y b) A escala local, el proyecto se
encuentra en la parte sur de la ciudad de Bagua, Amazonas. (tomado de SIGRID).
Propiedades de los materiales
De acuerdo al diseño del prototipo a
escala real figura 3 y a los objetivos de la investigación son dos los tipos de
materiales que intervienen en el proceso de la investigación, los cuales se
detallan.
Bambú
Del género Guadua Angustifolia (Ministerio
de vivienda, 2012) comercializada ampliamente en la región de Amazonas y de uso
frecuente en viviendas de esta tipología. Las propiedades mecánicas es
resultado de la investigado la información disponible en la literatura vigente
y se muestra en la Tabla 1.
Acero Corrugado
Este material se ha considerado como
un material de soporte para la medición de los comparadores, por lo que las
deformaciones axiales de las varillas de acero de 5/8” influirán sobre las
mediciones de los comparadores. Las propiedades del Acero para construcción
están ampliamente investigadas y son los que se resume en la siguiente Tabla 2.
Definición del modelo
estructural
Para la definición del prototipo se
ha considerado como referencia viviendas dimensionadas y distribución de
ambientes desarrollado por el programa de Mi vivienda y “Techo Propio” para la
región selva y que se vienen ejecutando en la región Bagua.
Procedimiento de ensayo
Las cargas verticales estáticas se
han aplicado en dos fases la primera a) Precarga, tiene como fin estabilizar
todo el prototipo, permitir reajustes, reacomodos entre los componentes,
estabilizar las conexiones y eliminar errores por acortamientos de elementos a
compresión. Para el cual se ha empleado una carga distribuida de 0.2 kN/m en la
parte superior de la cobertura, para ello se ha utilizado sacos de arena
uniformemente distribuidos figura 5. La segunda fase b) Ensayo, para ello se ha
colocado los comparadores en 0 como parte inicial y se ha añadido una carga
hasta contar con una permanente máxima de 0.4 kN/m en el ábside del marco de
Bambu que corresponde a una presión uniforme de aproximadamente 0.10 kN/m2.
Las mediciones mediante comparadores
se han realizado en las 6 columnas de Bambu mediante comparadores realizándose
además una monitorización constante y a tiempo real una de las columnas
centrales mediante un cámara que capturo videos e imágenes a diferentes
intervalos.
Figura 5 Proceso de precarga
en el modelo estructural a escala real: a) vista lateral de la cobertura y b)
cista frontal de la cobertura.
Para el
monitoreo de la temperatura y humedad de ha desarrollado una estación
meteorológica in situ ubicado en el interior del prototipo de vivienda a escala
real con componentes a bajo coste (bajo el sistema de ESP8266) que es un chip
con conexión a Wifi, al cual se ha añadido un sensor de humedad y temperatura
DHT 11, finalmente para la transmisión de los datos se ha generado una zona de
conexión wifi con un celular que cuenta con la opción de hotspot Wifi (Figura 6).
Para el almacenamiento de datos se ha utilizado la plataforma de thingspeak el
cual cuenta con canales abiertos que mediante un algoritmo y es posible grabar
datos en la nube.
Figura 6. Estación
Meteorológica de bajo coste: a) Sistema de transición de datos, b) Sensor de
temperatura y humedad c) Cámara de video vigilancia.
La
medición de las deformaciones verticales se ha realizado mediante el monitoreo
constante del comparador central mediante el sistema de adquisición de datos de
la figura 6-c, en el caso de los otros 5 comparadores restantes se ha tomado
desplazamiento inicial (antes de colocar la carga), medición luego de colocar
la carga y un desplazamiento final al cierre de la presente investigación.
Además, con el fin de evitar errores por dilatación de la varilla corrugada de
referencia, se han considerado los máximos y mínimos de la serie (Picos) los
cuales sirvieron para calcular la deformación de la varilla de acero que se
restara a la deformación final del Bambu para obtener las deformaciones netas
de las columnas de bambú.
RESULTADOS
Temperatura y humedad
Como
resultado de la investigación se obtuvieron series de Temperatura y humedad que
se muestra en la Figura 7 y Figura 8. En el periodo de observación del 20 de
setiembre al 06 de diciembre del 2022, los máximos de temperatura registrado
fueron de 42.7 Cº el día 19 de noviembre del 2022 a las 14:28:46 horas,
mientras que el mínimo de 21.4 Cº se ha registrado el día 25 de setiembre del
2022 a las 11:20:49 horas.
Figura 7. Temperatura para la
zona de estudio desde el 20 al 06 de diciembre del 2022.
Figura 8. Humedad para la zona
de estudio desde el 20 al 06 de diciembre del 2022.
Los
resultados de las lecturas de los desplazamientos del comparador para la
columna central del prototipo para los máximos de temperatura se muestran en la
Tabla 3, la diferencia entre las medidas de desplazamiento se corresponde a la
dilatación lineal de la varilla de acero que calculado analíticamente resulta
0.61 mm (ecuación 1) que correlaciona la longitud del material con la variación
de temperatura y el coeficiente de dilatación lineal (Tabla 2).
(1)
Tabla 3. Lecturas máximas y
mínimas de temperatura y desplazamiento con el comparador
|
Dia
|
Temperatura (°C)
|
Lectura (mm)
|
|
25/09/2022
|
21.4
|
0.71
|
|
19/11/2022
|
42.7
|
1.30
|
|
|
Diferencia
|
0.59
|
Deformaciones verticales
La
medición de las deformaciones verticales para los seis comparadores se muestra
en la Tabla 4. Donde el promedio de las deformaciones de las columnas centrales
es de 0.195 mm mientras que para las columnas frontales es de -0.05 mm y
columnas posteriores de 0.10 mm, las mediciones luego de aplicar la carga
permanente de la segunda etapa se muestra en la figura 9.
Tabla 4. Medición de campo de
deformaciones axiales mediante 06 comparadores.
Figura 9. Medición de los 06
comparadores en las columnas de bambú del prototipo de vivienda.
Para la
columna central de monitorización constante se ha encontrado una relación entre
el desplazamiento axial con una carga uniforme y constante en el periodo de
monitorización constante (Columna 02) (figura 10) que alcanza a 0.20 mm, esto
representa una deformación Ɛ= 8x10-5, que es similar a la columna equivalente 5
(ce) Ɛ= 7.6x10-5. Para ello los desplazamientos se han corregidos los efectos
de dilatación siguiendo las temperaturas obtenidas mediante el sensor.
Figura 10. Tendencia de
desplazamiento axial de la columna de Bambu 02 (central).
La
respuesta de las columnas de Bambu del prototipo a escala real frente a la
carga permanente de 0.4 kN/m, pareciera seguir una tendencia en función del
tiempo que se observa en la Figura 10, pero que sin embargo se logra
estabilizar a los 30 días de aplicado la carga. Además, se ha determinado que
la deformación se encuentra en la rama elástica de la curva tensión deformación
en compresión, para el bambú ya que al retirar la carga permanente la
deformación de Ɛ= 8x10-5, ha desaparecido.
DISCUSIÓN
El método propuesto y el prototipo a
escala real diseñado de una vivienda típica de la selva peruana ha permitido
obtener deformaciones axiales en las columnas de bambú para cargas usuales
(Vigas, Celosías, conexiones y cubiertas) y una sobrecarga constante de 0.10
kN/m2 que ha alcanzado una deformación máxima de 8x10-5mm/mm, a los
27 días de aplicada la sobrecarga. Este resultado es concordante con Gomes et
al. (2022) donde los datos experimentales realizados con ensayos de compresión
de prototipos desarrollados para las deformaciones axiales y el desplazamiento
máximo de 0.99 mm concuerda con las curvas típicas de esfuerzo-deformación por
compresión. Además, los resultados muestran que los desplazamientos máximos
obtenidos aún se encuentran que, en la parte inicial elástica de las curvas
tensión y deformación, alrededor del 1.6% de la capacidad elástica máxima, esto
es importante debido a que las columnas aún tienen un margen para soportar
cargas adicionales y además se puede optimizar su uso para reducir costos con
diseños estructurales mejorados (Zhou et al., 2022; Nie et al., 2022; Sassu et
al., 2016; Chung & Yu, 2002). Por lo que se puede afirmar que las columnas
de Bambu tienen un buen desempeño para la utilización en la construcción de
viviendas típicas de las zonas rurales de la región selva de Amazonas y cuentan
con un alto factor de seguridad.
Durante el tiempo de investigación
las columnas de Bambu no cuentan con alguna patología considerando que se
encuentran en las perores condiciones, al aire libre y que han soportado
viento, lluvia, cambios considerables de gradiente térmico que se han detectado
en la primera sección del resultado.
Además, esto ha permito caracterizar
el comportamiento axial de columnas de bambú en una vivienda a escala real de
la región de Bagua, Amazonas con el uso de un sistema de monitorización a
distancia, la campaña experimental se ha realizado en Perú y el monitoreo,
análisis y procesamiento de los datos se ha realizado en España a 9600 km de
distancia para el cual se ha utilizado componentes electrónicos de bajo coste
ha permitido la obtención y almacenamiento de datos en una plataforma segura
para su posterior procesamiento.
CONCLUSIONES
El estudio ha generado nuevo
conocimiento sobre el comportamiento mecánico de la deformación axial de las
columnas de bambu en un prototipo de vivienda rural, bajo carga permanente.
El comportamiento axial de las
columnas del prototipo de vivienda familiar considerando cargas verticales
típicas ha alcanzado en el periodo de monitorización una deformación máxima de
Ɛ= 8x10-5.
Se ha logrado una monitorización del
desplazamiento vertical mediante un sistema de transmisión de datos de bajo
coste y almacenar los datos en la nube los cuales conforman una base de datos
que puedan contribuir en futuras investigaciones.
Las columnas de bambú tienen un
rendimiento sobresaliente para su uso en la construcción de viviendas en zonas
rurales de la selva de Amazonas. Los desplazamientos máximos alcanzados se
encuentran dentro del 1.6% de la capacidad elástica máxima, aún está en la
parte inicial elástica de las curvas de tensión y deformación, lo que indica un
buen desempeño. Además, esto significa que las columnas tienen un margen
adicional para soportar cargas adicionales y pueden ser optimizadas a través de
diseños estructurales mejorados para reducir costos.
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