diseño y fabricación de una ficha estándar para

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Página 1 de 72 Junio 2014 Diseño y fabricación de una ficha estándar para construcción de viviendas Bogotá, Colombia Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Proyecto de grado Autor: David González Rodríguez. Asesor: Jorge Alberto Medina Perilla, PhD.

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Junio 2014

Diseño y fabricación de una ficha

estándar para construcción de viviendas

Bogotá, Colombia

Universidad de Los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Proyecto de grado

Autor:

David González Rodríguez.

Asesor:

Jorge Alberto Medina Perilla, PhD.

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Diseño y fabricación de una ficha estándar para

construcción de viviendas

Bogotá, Colombia

Resumen. En la búsqueda del bienestar ciudadano, recae la necesidad de proporcionar a todos los habitantes del territorio

colombiano una vivienda digna. El déficit de vivienda en Colombia es muy alto, los costos de construcción limitan

grandemente el acceso a las viviendas, los desperdicios que genera la construcción convencional son muy altos, las

demoras en la construcción se deben a este sistema convencional que además no es una forma de construcción sostenible.

El deseo de mejorar en el ámbito de la construcción de viviendas en Colombia, conlleva la creación de un proyecto de

construcción sostenible con el uso de materiales reciclables y fichas modulares fáciles de ensamblar. Con esto se puede

lograr reducir el costo de las viviendas, reducir los desperdicios, construir con mayor velocidad, crear una construcción

amigable con el medio ambiente y finalmente poder proporcionar un mayor número de viviendas a los habitantes de

Colombia. El primer paso para la construcción de estas viviendas, es el diseño de una ficha modular, que logre unirse con

otras similares para formar los muros de esta vivienda, además de cumplir todos los requerimientos para funcionar

correctamente en cualquier lugar del territorio colombiano.

Abstract. In pursuit of human welfare, emphasizes the need to provide decent housing to all the inhabitants of

Colombia. However, housing deficit is quite big, high construction costs greatly limit access to the poorest and the waste

generated by conventional construction is considerable. For these reasons, construction delays are common and the

current construction system is unsustainable. The desire to improve in the area of housing construction in Colombia, leads

to the creation of a sustainable building project with the use of recyclable materials and easy to assemble modular tabs.

With this, it is possible to reduce housing costs, reduce waste, increase the speed of construction, create friendly

environment projects and provide more housing to Colombian people. The first step of this plan is the design of modular

tabs, that could be assembled together to form the walls of a property. These tabs must meet all the requirements for

proper functionality anywhere in the Colombian territory.

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Diseño y fabricación de una ficha estándar para

construcción de viviendas

Índice

1 Contexto ................................................................................................................................................. 5

1.1 Motivación ........................................................................................................................................ 6

2 Trabajo previo ....................................................................................................................................... 9

2.1 Construcción modular ...................................................................................................................... 9

3 Objetivos .............................................................................................................................................. 12

3.1 Objetivo general ............................................................................................................................. 12

3.2 Objetivos específicos ...................................................................................................................... 12

4 Requerimientos.................................................................................................................................... 13

4.1 Requerimientos de carga ................................................................................................................ 14

4.1.1 Carga muerta............................................................................................................................ 16

4.1.2 Carga estática repartida ........................................................................................................... 21

4.1.3 Carga estática concentrada ...................................................................................................... 26

4.1.4 Cargas del viento ..................................................................................................................... 27

4.1.5 Cargas constrictivas ................................................................................................................. 29

4.2 Selección de material ...................................................................................................................... 31

4.2.1 Propósito .................................................................................................................................. 32

4.2.2 Definir material........................................................................................................................ 33

4.3 Requerimientos ambientales ........................................................................................................... 35

4.3.1 Temperatura ............................................................................................................................. 36

4.3.2 Humedad relativa ..................................................................................................................... 37

4.3.3 Precipitaciones ......................................................................................................................... 38

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5 Diseño de la ficha................................................................................................................................. 40

5.1 Funcionalidad ................................................................................................................................. 40

5.2 Proceso de diseño ........................................................................................................................... 44

5.3 Ajustes de diseño ............................................................................................................................ 50

6 Fabricación .......................................................................................................................................... 53

6.1 Moldeo por inyección ..................................................................................................................... 53

6.2 Ajustes de fabricación .................................................................................................................... 58

6.3 Prototipos ........................................................................................................................................ 60

7 Diseño final .......................................................................................................................................... 62

8 Construcción de viviendas .................................................................................................................. 66

9 Conclusiones ........................................................................................................................................ 68

10 Bibliografía ........................................................................................................................................ 69

11 Anexos ................................................................................................................................................ 72

Cuadro de materiales ............................................................................................................................ 73

Proceso de diseño ................................................................................................................................. 74

Plano de la ficha ................................................................................................................................... 75

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1 Contexto

La construcción de viviendas necesita la colaboración de muchas empresas que entregan a la

sociedad diferentes tipos de vivienda según el capital económico de su adquiridor, desde empresas que

fabrican la materia prima hasta empresas inmobiliarias que venden las casas a los potenciales

compradores. En Colombia existe gran variedad de tipos de vivienda, relacionados directamente con su

precio; desde casas con valor de varios millones de dólares, hasta viviendas de interés social que el

gobierno otorga a las personas menos favorecidas del país.

Todos los habitantes de Colombia deberían tener acceso a una vivienda digna, en donde las

diferencias económicas entre ellos no los limite a tener un terreno con una construcción que les provea

las necesidades básicas para su supervivencia. La construcción en Colombia limita mucho el acceso a

una vivienda digna, ya que su precio es muy alto. Si se logra reducir los costos de construcción, un

mayor número de personas podrán acceder a una vivienda que cumpla con los requerimientos básicos

para tener una vida grata. Los desperdicios en la construcción aumentan el valor de dicha vivienda,

además de generar problemas serios de contaminación ambiental. El mal uso de estos desperdicios de

construcción, que contienen materiales no reciclables y que terminan finalmente como basura: en

caños, depresiones o en vertederos poco controlados, generando una contaminación que no solo

deteriora el campo visual, sino también problemas de roedores y humo para extraer metales. (Romero,

2006)

Es necesario tener en cuenta como motivar a la sociedad a cambiar su modo convencional de

construcción y determinar a qué sector poblacional puede dirigirse este tipo de construcción. El diseño

y uso de una ficha modular plástica para la fabricación de viviendas, puede traer a la sociedad varios

beneficios como: reducir el costo de mano de obra, disminuir el tiempo de construcción de una

vivienda, utilizar materiales plásticos reciclables para la fabricación de los muros, reducir en gran

porcentaje los desperdicios por fabricación y demolición, disminuir el déficit de vivienda en Colombia

y crear una construcción satisfactoria y saludable para la humanidad.

En varios países del mundo se está implementando el uso de materiales plásticos para la

fabricación de viviendas, ya que la creación de asociaciones de construcción sostenible plantea que los

problemas generados al medio ambiente por construcciones convencionales deterioran en gran

proporción la calidad de vida de la humanidad. En Colombia existen algunos pocos proyectos que están

comenzando a construir casas de materiales plásticos con interés en una construcción sostenible.

Mientras que en países como Canadá este tipo de construcción se realiza hace más de 10 años,

entregándole a sus habitantes miles de casas que son amigables con el medio ambiente, además de

tener un bajo costo de construcción.

Se pretende realizar una construcción sostenible de casas de un piso que se puedan ubicar en

cualquier lugar del territorio colombiano y que reduzca en gran proporción los problemas de la

construcción convencional. Con este proyecto enfocando al sector poblacional menos favorecido de

Colombia, se lograra crear un mayor número de viviendas de interés social, que podrá brindar mayor

bienestar a los colombianos, con una casa digna, en donde se pueda vivir con las comodidades básicas.

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Como primera etapa de este proyecto se plantea el diseño de una ficha modular, donde se busca

cumplir con requerimientos de cargas que se definen para lograr una construcción estable y segura, y

con requerimientos ambientales que garanticen el correcto funcionamiento de la ficha. Así mismo,

construir un prototipo que pueda ser manufacturable según la técnica de moldeo por inyección y

presentar como se realizaría una vivienda con el uso de dichas fichas. Finalmente compararemos esta

propuesta de construcción sostenible contra la construcción convencional.

1.1 Motivación

El proyecto de fabricación de viviendas surge de la necesidad de proveer a los habitantes de

Colombia una vivienda digna. En el Cuadro 1 se resumen las motivaciones de este proyecto, el cual

comienza con el diseño de la ficha modular.

Cuadro 1. Motivación del proyecto.

Es alarmante conocer el porcentaje de personas que no tienen acceso a una vivienda digna en

Colombia, por lo cual se presenta a continuación los ítems que se desean reducir al implementar esta

forma de construcción sostenible para viviendas de un piso, en cualquier lugar del territorio

colombiano.

Déficit de vivienda en Colombia = 36 % (Porcentaje poblacional sin vivienda digna)

Número de habitantes en Colombia = 47.628.585 Personas.

Total de hogares necesarios para los habitantes de Colombia = 10.570.899 Hogares.

Total de hogares en déficit = 3.828.055 Hogares.

Total de hogares en déficit cualitativo = 2.520.298 Hogares.

Total de hogares en déficit cuantitativo = 1.307.757 Hogares.

En Colombia el déficit cualitativo correspondiente a un 23,8% de los hogares, significa que 11

millones de personas no tienen una vivienda con las comodidades básicas, es decir que la calidad de

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estos hogares es muy baja. El déficit cuantitativo expresa que el 12,4% de la población colombiana, el

equivalente a 6 millones de personas no tienen un hogar. (Dane, 2005)

Por otro lado es importante determinar el porcentaje de desperdicios en las construcciones

convencionales, ya que esto genera un incremento en el costo de las viviendas y en la contaminación

ambiental.

Desperdicios en construcciones con ladrillo = 29.9% (Porcentaje en volumen de los materiales

sobrantes en la construcción). (Formoso, 2009)

El porcentaje presentado anteriormente varía mucho dependiendo de la construcción, este

porcentaje es una recopilación de diferentes posibilidades de desperdicios entre los cuales están las

pérdidas de materiales, una mala planeación del proyecto que genera la compra inadecuada de recursos

y un mal manejo y control de los materiales en construcción.

Dos de las principales perdidas se presentan a continuación:

“Un mal control en la verticalidad del muro y de los espesores del revoque generaría espesores

de este mucho mayores a los especificados por el constructor y al que fue presupuestado

constituyéndose en una pérdida importante y común en las construcciones”

“Una mala ubicación estratégica del sitio de producción de concreto puede producir perdidas

por ciclos, es decir, por trayectos demasiados largos que constituyen pérdidas de tiempo y

agotan el recurso humano” (Lean, 2012)

Por otro lado es importante determinar el tiempo que se demora la construcción de una

vivienda, ya que este impacta directamente: a) el costo de la vivienda en cuanto a la mano de obra y la

cantidad de operarios necesarios, y b) la cantidad de viviendas que se pueden construir y la necesidad

de otorgar viviendas a la población que no tiene acceso a una.

El tiempo promedio de construcción de una vivienda común utilizando el método de

construcción convencional es:

Tiempo de construcción vivienda = 90 días

Si una vivienda se lograra construir en un tercio del promedio de construcción actual, tres

viviendas se realizarían en vez de una, además el precio de cada vivienda se reduciría notablemente al

disminuir la mano de obra. (Tiempo, 2013)

El precio de construcción de un muro de mampostería es una variable muy importante en la

construcción de viviendas, ya que esto define la facilidad de que una persona tenga acceso a comprarla

o la cantidad de casas que el gobierno este en capacidad de otorgar a la sociedad. Para esto se debe

tener en cuenta el precio de un metro cuadrado de mampostería, incluyendo materiales y mano de obra.

Precio ladrillo 20X20X40 = COP $ 26.427 pesos

Precio Mortero = COP $ 12.994 pesos

Precio mano de obra = COP $ 17.427 pesos

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Precio metro cuadrado de mampostería = COP $ 56.849 pesos

Al tener en cuenta que el precio para construir un metro cuadrado de mampostería es tan alto,

muy pocas personas podrán acceder a una vivienda de un tamaño razonable en la cual puedan tener una

buena calidad de vida. (Construdata, 2014)

Teniendo presentes las características de la construcción en Colombia y de cómo el sector de la

construcción no es capaz de satisfacer las necesidades de vivienda de la población colombiana, se

presenta este proyecto, con el fin de mejorar estas cifras en la mayor proporción posible, para lograr así

que un mayor número de personas tengan la facilidad de vivir en un hogar con una calidad razonable.

Además de tener en cuenta la necesidad de reducir el precio de una vivienda, evitar

desperdicios, reducir el tiempo de construcción y finalmente lograr reducir el déficit de vivienda en

Colombia, es importante propender por una construcción sostenible, para lograr crear viviendas que

sean medioambientalmente responsables, rentables y saludables para las personas que viven en ellas.

(Spain Green Building Council, 2010)

Teniendo presente que las construcciones en general son responsables de un gran impacto en el

medio ambiente, la economía, la salud y la productividad, es importante realizar una construcción

sostenible y dirigir este proyecto de construcción de viviendas a cambiar el modo convencional de

construcción por un modo más ecológico.

Algunos de los beneficios que otorga la construcción sostenible al medio ambiente, la economía

y el bienestar de la sociedad, son:

Enriquecer y proteger los ecosistemas y la biodiversidad.

Mejorar la calidad del aire y del agua.

Reducir los residuos sólidos.

Reducir los costos de funcionamiento.

Contribuir a una calidad de vida global

Mejorar los ambientes acústicos, térmicos y atmosféricos.

Al tener en cuenta que la construcción sostenible trae muchos beneficios para la sociedad, se

busca enfocar este proyecto para cambiar la construcción convencional por una construcción sostenible

con el uso de materiales reciclables en la fabricación de la ficha. (Spain Green Building Council, 2010)

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2 Trabajo previo

Este es el primer paso para el proyecto de construcción de viviendas con el uso de fichas

modulares que pueden lograr ensamblarse entre sí para obtener los muros de una casa. Se desarrollara

la definición de requerimientos, el diseño de la ficha y la fabricación de un prototipo, como inicio de

este proyecto. Es importante conocer la viabilidad de implementar este nuevo tipo de construcción

sostenible en el país, además es necesario conocer que proyectos similares en el mundo han utilizado

fichas modulares para construir viviendas y que proyectos han utilizado materiales plásticos para

fabricar muros de vivienda. En este proyecto se seleccionara un material opcional para la realización de

cálculos, predicción de fuerzas, comportamiento con los factores ambientales y la realización del

prototipo, sin embargo el material final será producto de un proyecto desarrollado paralelamente a este,

con el fin de obtener un compuesto caracterizado con fibras bio-poliméricas.

2.1 Construcción modular con plásticos

La construcción modular es implementar en los muros fichas o piezas que encajen entre sí

logrando la construcción de un muro únicamente con el uso de estas piezas, el diseño de un módulo

debe cumplir varios requerimientos, la funcionalidad define muchos de estos requerimientos que

provienen de las necesidades que se desean satisfacer al interior y exterior de la vivienda. Los demás

requerimientos se definen por las fuerzas externas y los factores ambientales que actúan sobre la

vivienda.

El uso de fichas modulares se está comenzando a implementar en Colombia recientemente, sin

embargo en el exterior ya existen proyectos que usan fichas modulares hace varios años, uno de estos

proyectos tienen fichas modulares similares a las del juego Lego, este proyecto fue desarrollado en

Italia y se conoce hasta el momento como el primero y único implementando esta técnica de

construcción, la compañía Ecomat Research Ltd, afirma que “Con estos ladrillos se pueden construir

paredes rápida y fácilmente (no necesitan mortero ni conocimientos especiales) y además tienen

excelentes propiedades anti-sísmicas y resistencia superior al fuego, pesan poco, y son buenos aislantes

del ruido y la temperatura.” (Ecomat, 2010) Esta es una forma de construcción similar a lo que se desea

obtener con este proyecto, a continuación se muestra algunas imágenes del proyecto Italiano:

Figuras 1 y 2. Fichas modulares del proyecto italiano Ecomat Research. (Ecomat, 2010)

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Del proyecto de Ecomat Research se puede rescatar que es una ficha liviana, que se puede

conectar transversalmente con otras piezas y su costo de fabricación es bastante bajo. Sin embargo

presenta muchos problemas, la pieza en su mayoría es hueca pero no se puede atravesar tuberías en su

interior, la estructura es muy débil, por lo tanto no puede soportar cargas considerables, no se pueden

realizar conexiones triples para muros internos y sus superficies no son lisas en sus conexiones

transversales, además de una posible obstrucción que se puede presentar al ensamblar las piezas.

En México desde el año 2008 se está implementando un sistema diferente de construcción cuyo

nombre es Ceros, consiste en bloques de plástico modulares que forman muros de una vivienda por

secciones, sin embargo se deben rellenar estos módulos con cemento para reforzar el plástico, además

deben insertarse varillas en el interior de los módulos. Como ventajas la compañía dueña del proyecto

Ceros afirma que “una casa de un solo piso se puede edificar en cuatro días aproximadamente con toda

su estructura, además tiene buen comportamiento sísmico, es resistente al fuego y viento, tiene buen

aislamiento térmico y acústico, además de que es una técnica 100% ecológica” (Ceros, 2012).

Figuras 3 y 4. Fichas modulares del proyecto mexicano Ceros. (Ceros, 2012)

Del proyecto Ceros se puede rescatar que el peso de los módulos de plástico es muy bajo, sin

embargo se necesitan 128 piezas para formar un metro cuadrado ya que los módulos son muy

pequeños, este proyecto no contempla la posibilidad de pasar tuberías en su interior, de realizar

conexiones transversales, y utiliza otros materiales para formar los muros, como varillas y cemento,

además no es posible garantizar estanqueidad por el diseño de los módulos, sino por el uso de otros

materiales.

Un proyecto similar en Colombia tiene el nombre de Brickarp, que se compone de bloques de

plástico compacto fundidos en una sola pieza compuesta por dos caras externas, dos paredes laterales y

dos superficies. Este método de construcción integra elementos livianos, modulares y resistentes, que

permitan instalaciones rápidas, seguras y de bajo costo. (Brickarp, 2010) Este proyecto además de

utilizar plástico reciclado crea una pieza modular, capaz de ensamblarse entre sí, sin embargo el ajuste

que poseen estas piezas es muy fuerte, y se requiere de mucha fuerza para ensamblarlos.

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Figuras 5 y 6. Fichas modulares del proyecto colombiano Brickarp. (Brickarp, 2010)

Del proyecto de Brickarp realizado en Colombia, se puede rescatar varios aspectos de diseño,

como la creación de dos superficies para evitar el paso de agua, lo cual ayuda a la estanqueidad, las

superficies externas son lisas y de fácil ensamble por sus conexiones directas. Sin embargo tiene varios

problemas como el ajuste forzado, no se pueden lograr de ninguna manera conexiones transversales, la

pieza no permite tuberías en su interior y en algunos casos debe modificarse para ensamblarla.

En Colombia la empresa Woodpecker SAS ha creado un nuevo sistema de construcción de

viviendas con el uso de fibras vegetales y polímeros. La empresa afirma que las casas que pueden

fabricar son livianas y tienen buenas características sismo resistente, las piezas se acoplan fácilmente y

la construcción es sencilla y modular, lo que permite ampliaciones posteriores a la construcción. Esta

empresa provee todo el sistema de construcción de una vivienda, la cual incluye muros, pisos, ventanas

y columnas, entre otros. Sin embargo para este proyecto únicamente es necesario conocer como son las

fichas que crean los muros. A continuación se presentan las imágenes del proyecto de la empresa

Woodpecker SAS. (Woodpecker, 2010)

Figuras 7 y 8. Fichas modulares del proyecto colombiano Woodpecker. (Woodpecker, 2010)

Del proyecto de la empresa Woodpecker SAS se puede rescatar la sencillez de la construcción,

ya que las piezas son muy fáciles de ensamblar entre sí. Por otro lado el diseño de las piezas genera

estanqueidad sobre su superficie superior, ya que la superficie interna es superior a las superficies

externas en toda la longitud de la pieza. Sin embargo el diseño de la pieza no permite construcciones

transversales y no permite ningún tipo de tubería en su interior

Finalmente de los proyectos similares se rescataron algunas ideas que se consideran relevantes

para la solución de los requerimientos funcionales, sin embargo es necesario implementar nuevas ideas

para que todos los requerimientos funcionales que se planteen se solucionen de la mejor manera.

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3 Objetivos

A continuación se presentan los objetivos del proyecto, en primer lugar el objetivo general y

posteriormente los objetivos específicos, los cuales siguen un orden cronológico de lo que se

desarrollará en el proyecto.

3.1 Objetivo general

Diseñar y fabricar una ficha estándar para construcción de viviendas, que logre unirse con otras

similares para formar los muros de esta.

3.2 Objetivos específicos

Definir las cargas que deben soportar los muros de una vivienda en situaciones extremas.

Conocer los factores ambientales que influyen sobre los muros, que puedan llegar a cambiar la

forma y resistencia de las fichas.

Definir la geometría que debe tener una ficha para ser capaz de unirse con otras sin la necesidad

de aplicación de otro material.

Diseñar una ficha estándar capaz de soportar todas las fuerzas, temperaturas y demás

adversidades que tiene una vivienda.

Construir un prototipo de una ficha estándar que cumpla con todos los requerimientos para su

uso.

Predecir cómo podrá ser la construcción de una vivienda con el uso de estas fichas en el futuro.

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4 Requerimientos

La necesidad de definir ciertos requerimientos para el diseño de la ficha de construcción es

garantizar su correcto funcionamiento en cualquier lugar del territorio colombiano, las cargas presentes,

las características del material y los factores ambientales, serán los requerimientos que se definirán

teniendo en cuenta las condiciones críticas de operación, así se garantizara que la composición y

geometría de la ficha este en capacidad de soportar las adversidades presentes en las construcciones,

sin alterar su correcto funcionamiento.

En primer lugar es necesario conocer las cargas que se presentan comúnmente en una vivienda

y predecir cual podrá ser su valor máximo, con el fin de garantizar que la ficha de construcción luego

de someterse a dichas cargas extremas no va a cambiar su forma, ya que si dicha ficha no está en

capacidad de soportar este nivel de cargas, se puede alterar el correcto funcionamiento de la estructura

o llegar al deterioro o la destrucción de la vivienda. Es importante conocer el lugar de aplicación, la

distribución y la magnitud de cada carga que se considere relevante para el diseño estructural de la

pieza, al obtener el resultado de cada una de ellas, será posible predecir el espesor necesario de la ficha,

el máximo esfuerzo soportado y su lugar de aplicación, el desplazamiento máximo y el factor de

seguridad de la pieza. Al definir el espesor de la ficha es importante tener en cuenta no

sobredimensionar el diseño, ya que esto puede generar gastos en exceso de material y dificultades en la

manufactura, por lo tanto es importante tener en cuenta el factor de seguridad que se desea obtener y

realizar un diseño que distribuya los esfuerzos correctamente sobre toda la pieza.

El material seleccionado y sus características influyen directamente en el cumplimiento de los

requerimientos, ya que hay materiales que soportan diferentes cargas, tienen una diferente densidad,

diferente temperatura de servicio, diferente coeficiente de expansión térmica y diferente

comportamiento frente a la humedad, entre otros. Por lo tanto es importante determinar que

características del material son más relevantes para el diseño, comparar diferentes materiales y

determinar finalmente que material se puede adaptar mejor al modelo, cumpliendo de la mejor manera

las características presentes en la aplicación determinada.

Por otro lado es importante conocer los factores ambientales que influyen en las construcciones,

para determinar si se puede presentar un deterioro o cambios en la composición del material al

exponerse a variaciones climáticas. Es necesario realizar un análisis sobre todo el territorio colombiano

para determinar el lugar y la magnitud de los casos extremos de temperatura, humedad relativa y

precipitaciones, con lo cual se podrá realizar una comparación con las características del material y

definir si este está en capacidades de soportar sin problema los cambios en los factores ambientales

presentes en Colombia.

Al definir todos los requerimientos de cargas, características del material y factores ambientales,

será posible garantizar que la ficha diseñada al ser parte del muro de una vivienda podrá cumplir su

función correctamente y podrá proporcionar a los habitantes de la vivienda seguridad y comodidad en

cualquier lugar que se desee construir. Posteriormente se podrá realizar una simulación del

comportamiento de la ficha, seleccionando el material preferente y aplicar las cargas extremas que se

definan.

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4.1 Requerimientos de cargas

Las cargas son fuerzas externas que actúan sobre una estructura, mientras que los esfuerzos son

las fuerzas internas que resisten las cargas. Las cargas externas pueden actuar de diferentes maneras y

generar una respuesta del material que depende de sus propiedades y su forma, esto puede llegar a

generar deformaciones y alterar la funcionalidad del elemento.

Las diferentes aplicaciones de cargas generan el siguiente comportamiento del material:

Fuerzas cortantes: Hacen que unas partes del material se deslicen sobre las otras, creando una

respuesta de carga negativa a la que se está aplicando en un plano adyacente.

Fuerzas de tensión: Hacen que partes del material se extiendan a favor de las cargas aplicadas.

Fuerzas de compresión: Hacen que el material se comprima en dirección a las fuerzas aplicadas.

Fuerzas de torsión: Hacen que el material gire a favor de la carga aplicada.

Fuerzas combinadas: Hacen que el material se comporte en una forma resistiva de diferentes

fuerzas aplicadas en conjunto de las mencionadas anteriormente.

Las fuerzas aplicadas sobre el material se pueden clasificar en diferentes tipos, los más

importantes que recaen sobre materiales de construcción son los siguientes:

Cargas estáticas: Son fuerzas que recaen permanentemente sobre el material, no tienen un

impacto sino que se colocan suavemente sobre él. En el caso de las construcciones un ejemplo

de cargas estáticas puede ser las demás piezas que conforman partes superiores del muro y las

vigas que sostienen el techo.

o Cargas repartidas: Son las cargas estáticas que se colocan uniformemente sobre un área,

estas cargas son cargas verticales y recaen sobre toda la superficie superior. En el caso

de las fichas modulares además de soportar cargas que se coloquen en su superficie,

debe soportar su propio peso y cada plano paralelo que esté por debajo de la superficie

va a soportar más peso, al incluir el peso del material que esta sobre el pero hace parte

del mismo elemento.

o Cargas concentradas: Son las fuerzas que se aplican sobre una pequeña área del

material, en las construcciones son cargas que se colocan sobre las paredes,

probablemente por el uso de puntillas para colgar objetos o realizar agujeros para

implementar una toma eléctrica, un televisor o una lámpara.

Cargas dinámicas: Son las fuerzas que varían con el tiempo, pueden estar presentes en

diferentes momentos y ausentes en otros, estas fuerzas pueden incluir impactos y constantes

repeticiones. En las construcciones se observan cargas por diferentes objetos que se colocan

apoyados en los muros o vibraciones transmitidas por los cimientos.

o Cargas repetidas: Son las fuerzas que pueden variar en su punto de aplicación y en su

magnitud.

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o Cargas de impacto: Son las fuerzas que además de su peso traen un movimiento externo,

es decir, algo que golpea el material. En este caso puede ser cualquier objeto lanzado

hacia un muro o una onda de impacto ocasionada por una explosión.

Otro tipo de cargas son generadas por el ambiente, pueden describirse como cargas estáticas o

dinámicas, pero se clasifican según su origen; las que afectan una construcción son:

Cargas muertas: En este caso es el propio peso de la ficha de construcción.

Cargas de viento: Son las fuerzas generadas por el viento, generalmente teniendo en cuenta la

mayor velocidad de este analizada en el sitio de ubicación, es aplicada sobre una sola cara del

muro y puede ser considerada de distribución uniforme.

Cargas sísmicas: Puede ser una de las cargas más importantes pero de menor ocurrencia ya que

pueden generar grandes desplazamientos de la superficie inferior de la construcción. Se genera

por un movimiento sísmico que se puede predecir según el lugar de ubicación de la estructura y

se tiene muy en cuenta para desarrollar los cimientos de la construcción.

Es importante analizar la influencia del ambiente, que pueden llegar a causar cargas extra sobre

el material, las más importantes presentes en los muros de una vivienda son:

Cargas constrictivas: Estas cargas se presentan por las restricciones dimensionales, cuando el

material sufre una dilatación térmica y pretende expandirse, otro elemento por su forma lo

restringe y crea cargas internas.

Cargas de encogimiento: Estas cargas presentes en los muros son causa de cambios del

contenido de humedad en el material. (Merrit, 1997)

Cargas de servicio:

Para el diseño de un prototipo de ficha de construcción para viviendas es necesario predecir

cómo van a ser las cargas mencionadas anteriormente, darles una magnitud en su caso extremo de

funcionamiento para poder crear un elemento que sea confiable en su propósito de aplicación.

Al analizar las posibles situaciones en las que se ve involucrada una vivienda se van a

determinar las cargas más importantes, se va a predecir su magnitud en un caso extremo y se va a

encontrar los posibles ajustes necesarios para evitar cargas internas. Las principales cargas a analizar

son las siguientes:

Carga muerta

Carga estática repartida

Carga estática concentrada

Cargas del viento

Cargas constrictivas

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Las cargas sísmicas se tienen en cuenta como normatividad para encontrar algunas dimensiones

de los muros, otros tipos de cargas no serán tenidos en cuenta ya que se analiza una ficha como unidad

y no el comportamiento de un conjunto al formar un muro completo.

4.1.1 Carga muerta

Las cargas muertas presentes en la construcción varían dependiendo de la estructura a utilizar,

en el caso de una vivienda simple, la única fuerza para tener en cuenta es el propio peso de la ficha,

esta varía dependiendo de su volumen y del material de construcción, en primer lugar es importante

conocer el tamaño aproximado tendiendo a las mayores dimensiones posibles, en seguida tener la

densidad del posible material a utilizar para calcular su masa y finalmente su peso.

Volumen:

El volumen va ser considerado máximo como la mitad del espacio que ocupa su forma

rectangular extendida, ya que es muy probable que todos los espacios necesarios para su funcionalidad

como conexiones, espacios libres internos y reducción de peso para que sea más eficiente y económico,

ocupen más de la mitad de su espacio total.

Un ladrillo común utilizado en las construcciones en Colombia puede variar su tamaño, sin

embargo el espesor de los muros tiende a ser generalizado para todas las viviendas ya que los

materiales como el concreto y el ladrillo son utilizados comúnmente, por lo tanto será necesario hacer

una proporción entre el espesor y el ancho para hallar un supuesto del tamaño de la ficha.

El ladrillo con las mejores características encontrado en un almacén común en Colombia es el

siguiente (Homecenter, 2014):

Ladrillo “Ceranova”:

Tamaño: 300*200*100 (mm)

Material: Arcilla

Necesidad de cemento para conectarlos entre sí.

Espesor 12 mm.

Por otro lado las fichas de construcción ya se han venido desarrollando en otros proyectos, sin

embargo no se utilizan de manera masiva y los prototipos son muy sencillos y poco confiables, ya que

se basan en una ficha estándar que no cumple con todas las características necesarias para una vivienda:

Ficha de plástico (Proyecto Ecomat research):

Tamaño: 330*250*160 (mm)

Peso: 3.32 Kg

Material: Plástico reciclado

Conexión por ajuste entre piezas. (Ecomat, 2010)

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Al conocer diferentes piezas similares de construcción se pretende estimar su forma final, y con

el uso de algún material opcional poder estimar su peso. A continuación se presenta un esquema con las

principales dimensiones de la pieza y su relación con la geometría:

Cuadro 2. Dimensiones principales de la ficha.

Estimación de Z (Espesor de la pieza):

Un muro de vivienda común en Colombia para una casa de 1 o 2 pisos, debe seguir las

siguientes normas para el espesor del muro:

Según la NSR-10 (Norma sismo resistente E.3.5):

Según la Altura Libre: La altura entre pisos no puede superar 25 veces el espesor del muro.

Según la longitud libre horizontal: La longitud de la pared no puede superar 35 veces el espesor

del muro.

Espesor mínimo de los muros: Se presenta la siguiente tabla que muestra el espesor mínimo de

los muros, en diferentes zonas según la amenaza sísmica y el número de pisos de la vivienda.

(Para este caso se resalta el valor más relevante)

Zona de

amenaza

sísmica

Numero de niveles de construcción

Un piso Dos pisos

Nivel 1 Nivel 2

Alta 110 110 100

Intermedia 100 110 95

Baja 95 110 95

Tabla 1. Tabla E.3.5-1 Espesores mínimos nominales para muros estructurales en casas de uno y dos pisos en mm. (NSR-10)

Al conocer un valor para el espesor mínimo del muro como se presenta en la tabla 1 y el valor

de una ficha similar ya existente, se procede a predecir cuál será el espesor más óptimo para la ficha de

construcción.

Como la densidad de los materiales plásticos es inferior a la utilizada en la construcción

convencional, se piensa hacer una pieza con mayor espesor, si el espesor aumenta se mejora la

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estabilidad. Sin embargo al aumentar mucho el espesor se pierde espacio útil y se requiere de más

material, lo que genera una pieza menos eficiente.

En este caso se pretende estimar el espesor máximo, para predecir el mayor volumen y la mayor

carga muerta, como se pretende tener una ficha lo más eficiente posible el espesor no debe ser muy

ancho y además ser superior al mínimo establecido, por lo tanto una primera consideración del espesor

es 110 mm antes de considerar otros factores dimensionales.

Estimación de X (Largo de la pieza):

Para determinar la longitud de la ficha es necesario conocer que entre más largas sean las fichas

más límites de construcción existen. Esta longitud se va a determinar cumpliendo con la longitud

mínima de un muro, que se establece para garantizar que la edificación tenga capacidad de disipación

de energía en el rango inelástico, debiéndose cumplir para cada muro en todas las direcciones

principales. (NSR-10)

Para calcular la longitud del muro se tiene en cuenta la siguiente ecuación:

En donde es una constante que define la amenaza sísmica con valores entre 4 si es muy poca

amenaza y 33 si es la más alta. El valor t es el espesor del muro. El valor es el área del piso que está

soportando los muros, es decir, el área que se desea habitar. En este caso, para una vivienda con la peor

amenaza sísmica en Colombia la longitud de la pared no puede superar 35 veces el espesor del muro.

Para la estimación del espesor presentada anteriormente de 110 mm se podrá lograr un máximo de

muro de 3.85 metros, el área compuesta por un cuadrado de esta longitud es 14.82 metros cuadrados,

por lo tanto la longitud mínima del muro debe ser igual a (NSR-10):

No es posible crear un área de 14.82 metros cuadrados, si cada muro debe tener mínimo 4.45

metros, por lo tanto para el espesor encontrado anteriormente al considerar la peor amenaza sísmica, el

área máxima de construcción seria:

Un área de 12.83 metros cuadrados no es suficiente para determinar un máximo de área

habitable para las viviendas de interés social en Colombia, por lo tanto se busca aumentar el espesor y

poder realizar muros más largos, lo que equivale a un área mayor.

El gobierno colombiano mediante los Decretos 2060 y el 2083 del 24 y 28 de junio de 2004,

expedidos por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, logro establecer unas

normas mínimas de calidad y un área mínima de lote de 35 metros cuadrados, y determino que el

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máximo de vivienda que se podrá otorgar según el mercado será de 50 metros cuadrados. (El País,

2014)

Si se considera un máximo de vivienda de 50 metros cuadrados, la habitación de mayor área no

podrá superar los 30 metros cuadrados para poder dar lugar a las demás necesidades de la vivienda, por

lo tanto si se determina esta área máxima de construcción se obtiene un espesor de:

Ya se obtiene un espesor funcional para el territorio colombiano, sin embargo se considera que

este espesor está sobre dimensionado, si se intenta optimizar dicho valor para construir un área de 30

metros cuadrados lo más eficiente posible se obtiene:

Al solucionar la ecuación para determinar el valor de X en mm, el espesor resultante es:

Luego de optimizar el valor para el espesor y poder tener el área máxima determinada, se

presenta este valor como el espesor deseado, sin embargo se decide aproximar este valor a 170 mm,

con el fin de poder realizar ajustes, luego de determinar la expansión térmica de la ficha.

Z = 170 mm

Para estimar el largo de la pieza únicamente es necesario cumplir un requerimiento funcional

básico que es la conexión transversal, para que una pieza pueda conectarse satisfactoriamente con otra

en posición transversal la longitud de la pieza debe ser exactamente el doble del espesor:

X = 340 mm

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Estimación de Y (Alto de la pieza):

La altura de la ficha se pretende estimar con relación a la altura del muro, es decir cuántas

fichas se necesitan para formar la totalidad de la altura de un piso. Esta variable depende también de la

facilidad de instalación y transporte, ya que una persona debe poderla colocar fácilmente. Si la altura

entre pisos no puede superar 25 veces el espesor del muro y se considera un muro de 170 mm, el muro

máximo puede ser de 4.25 metros.

En la actualidad las casas de interés social no superan los 2.2 metros de altura, se necesita tener

en cuenta dos consideraciones para esta estimación, en primer lugar se desea obtener un valor múltiplo

de 2200 mm, ya que la limitación en el diseño de la vivienda viene dada por las dimensiones de la

pieza. Por otro lado se desea mantener una proporcionalidad de diseño con los valores de largo y

espesor encontrados anteriormente, además es importante considerar que entre menos altura tenga la

pieza se aumenta la estabilidad.

Si se predice que la vivienda va a tener 2.2 metros de altura, según la proporcionalidad de

diseño el valor de la altura de la ficha debe ser superior a 170 mm e inferior a 340 mm, además de ser

múltiplo de 2200 milímetros, el valor se desea lo más cercano al espesor para aumentar su estabilidad,

por lo tanto el múltiplo entero más cercano al espesor es 200 milímetros y se necesitarían 11 fichas para

alcanzar la altura total de la vivienda.

Y = 200 mm

Teniendo un estimado de los posibles valores de la pieza se calcula el volumen de la siguiente

forma:

Selección de material opcional para calcular el peso:

Como material opcional para el cálculo de cargas se selecciono el PVC (Polyvinyl chloride) por

sus siglas en ingles, que significa Policloruro de vinilo. Ya que este material posee alta resistencia y

rigidez, soporta altas temperaturas, es altamente inerte a los solventes y sustancias químicas, tiene

escasa absorción de agua y es reciclable. Por otro lado este es el material más utilizado para crear

viviendas con plástico en el mundo.

La densidad de este material es aproximadamente:

Cálculo de la carga muerta máxima:

La masa total del material seria:

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El peso total:

Como se predice tener por lo menos la mitad vacía, el peso total máximo seria:

Finalmente el valor de la carga muerta máxima se predice en:

Carga muerta = 73.15 N

4.1.2 Carga estática repartida

Las cargas estáticas repartidas son aquellas que se aplican sobre toda la superficie de la pieza y

permanecen allí durante todo el periodo de funcionamiento que por lo general es muy prolongado y

constante, ya que son pesos de objetos o parte de la estructura en la parte superior. Para viviendas de un

solo piso las cargas estáticas repartidas son únicamente el peso del muro y el peso del techo. Por lo

general estas cargas se definen con muchos más elementos, pero únicamente para edificaciones que

tengan dos pisos o más, porque se cuenta con múltiples variaciones de acuerdo al uso que se la da a la

habitación superior.

Para la estimación de las cargas estáticas repartidas presentes en una vivienda de un piso, se

calculará el máximo que soportara la pieza inferior sobre su superficie, ya que el peso de la misma es

tenido en cuenta en la carga muerta. El máximo se definirá de dos maneras, en primer lugar se calculara

el peso de todo el muro por encima de la pieza inferior, teniendo en cuenta la carga muerta de la pieza y

la altura máxima que se supone que podrá tener una vivienda. En segundo lugar se calcula el posible

peso máximo del techo, suponiendo que este se construye de tal manera que se reparte equitativamente

sobre toda la superficie, además de tener en cuenta el área máxima de habitación.

Peso del muro:

Para calcular el peso del muro se tiene en cuenta la Figura 7, donde se puede observar mejor el

peso a calcular que recae sobre la pieza inferior.

Como se puede observar en la siguiente figura, el peso que va a soportar la ficha inferior es el

peso muerto de diez fichas idénticas colocadas sobre esta. En cada fila de fichas se soporta una ficha

completa, aunque en algunos casos es la mitad de dos fichas, el equivalente a una ficha completa, por

lo tanto el peso es exactamente 10 fichas ya que se considera una altura máxima de muro de 2.2 metros.

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Figura 9. Ilustración del peso a calcular del muro sobre la pieza inferior.

Área superior de la ficha:

Peso total del muro sobre la ficha inferior:

La fuerza encontrada anteriormente, se supone que va a ser la máxima fuerza proveniente del

muro que va a soportar la ficha inferior, y se distribuye uniformemente sobre toda el área superior de

la misma.

Peso del techo:

En primer lugar se considerara un área máxima de habitación para poder conocer la superficie

total del techo, posteriormente se buscaran materiales para la construcción del techo y se definirá la

cantidad necesaria de cada elemento que conforme el techo, finalmente se calculara el peso total del

techo teniendo en cuenta la cantidad de elementos necesarios y su respectivo peso.

Se supone un área máxima para la habitación de la vivienda, anteriormente se presenta para la

estimación de X, un área máxima de 30 metros cuadrados.

Se selecciona una material opcional que conformara todo el techo, este se supone que cubrirá

1.5 veces el total del área ya que partes del techo se sobreponen para sostenerse. Si se selecciona una

teja común en Colombia marca Koyo, referencia Platino Trapezoidal con características presentadas en

el siguiente cuadro. (Koyo, 2014)

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Teja Platino trapezoidal

Longitud 1,2 – 3,6 m

Ancho total 0,83 m

Ancho útil 0,73 m

Espesor 1 mm ± 10%

Peso/m2 1,6 Kg

Perfil de temperatura -40 a 60 ° C

Inclinación 15 grados min.

Distancia entre cerchas 1,3 m máx. Tabla 2. Características Teja marca Koyo. (Koyo, 2014)

Si se supone un área de 30 metros cuadrados y un máximo de 1.5 en sobre posicionamiento de

las tejas, el área total seria 45 metros cuadrados, además es necesario tener en cuenta que el techo no es

perpendicular a los muros, por lo tanto el ángulo a tener en cuenta será considerado dos veces el

mínimo necesario para las tejas, debido a que es un espacio no útil y es probable tener lugares donde se

requiera una mayor altura del techo por fuerzas del viento, o por la facilidad que genera el

desplazamiento de fluidos en la superficie al aumentar el ángulo.

Se considera la siguiente figura para determinar el área del techo total a cubrir con tejas, la teja

seleccionada es una teja común de bajo precio, que puede ser utilizada en etapas posteriores del

proyecto y es necesaria en este caso para predecir el peso del techo sobre la ficha de construcción, sin

embargo el proyecto no se limita al uso de estas tejas.

Figura 10. Ilustración del área para cubrir con tejas.

Si el ángulo es 30 grados, para modificar el área y ajustarla al área negra que se muestra en la

Figura 8, se realiza el siguiente procedimiento.

Longitud = m

α = 30°

Altura =

Longitud final =

= 3.16 m

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Si se tiene en cuenta la nueva dimensión el área total seria (incluyendo un multiplicador de 1.5

por sobre posicionamiento de las tejas):

Para calcular el peso total de las tejas es necesario conocer el peso por metro cuadrado

presentado en la Tabla 2, y el área total.

Para calcular el peso de las cerchas que sostienen las tejas únicamente es necesario calcular una

de ellas y dividirla entre 2 por los dos elementos que van a sostenerla, ya que solo se está analizando el

elemento crítico.

La cercha se va a calcular de la siguiente forma, se supone un perfil en ángulo y se calcula la

longitud total necesaria para armar la cercha, con el peso por metro de un perfil en ángulo comercial, se

calcula el peso total de la cercha. Finalmente este se divide en dos, por las dos fichas que la van a

sostener a cada extremo de la cercha.

Perfil en ángulo:

Se supone un perfil en ángulo comercial de la mayor medida disponible para esta aplicación,

además de ser utilizado comúnmente por la compañía Incafe para la creación de cerchas de vivienda;

este es un ángulo de 30 X 3 mm, con un peso por metro lineal de 1.62 Kg/m. (Incafe, 2014)

Se supone la siguiente figura para el cálculo de la longitud lineal total de la cercha.

Figura 11. Configuración de la cercha para cálculo de la longitud del perfil en ángulo.

Para calcular la longitud total del perfil en ángulo a utilizar en el caso crítico, cada cercha se

compone de dos triángulos idénticos como los que se presentan en la Figura 9, y se supone una

separación de 10 cm entre cada triangulo, los cuales se conectan en cada unión; si el número total de

uniones es 12, se deben agregar 1.2 metros al total. Se calcula a continuación el total de metros por

cercha.

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L =

A = L tan α = 2.74 tan 30° = 1.58 m

Suma de la longitud total de la cercha:

Peso total sobre cada pieza:

Finalmente se tiene el peso total que afecta una ficha en su parte superior uniformemente

distribuida por parte de las tejas y por parte de las cerchas que sostienen estas tejas. Sin embargo, es

importante distribuir el peso de las tejas en la cantidad de fichas que la soportan.

El peso total de las tejas es 815.59 N. Si se supone que la repartición de cargas estará

únicamente distribuida sobre las fichas que tenga el apoyo de las cercha, es necesario determinar el

número total de cerchas necesarias para sujetar las tejas, como se observa en la Tabla 2 las cerchas no

se pueden separar más de 1.3 metros entre sí. En los extremos se colocan dos cerchas que se sostienen

sobre todo el muro, para una longitud de muro de es necesario mínimo 6 cerchas para su

sujeción, por lo tanto el peso de las tejas se dividirá equitativamente sobre las seis cerchas y a la vez

este peso se distribuirá equitativamente en los dos apoyos de las cerchas, que no están ubicadas en el

extremo de la vivienda.

Para calcular la fuerza total se suma el peso de las tejas que recae sobre una ficha y el peso de

las cerchas correspondiente a la ficha más crítica.

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Total carga estática repartida:

Para calcular el total de la carga estática repartida es necesario sumar la carga del muro que este

sobre la ficha inferior, más la carga del techo que debe soportar.

4.1.3 Carga estática concentrada

Las principales cargas estáticas concentradas que afectan permanentemente la pieza, son las que

abarcan una pequeña área del material pero nunca se retiran de allí. Para el caso de las viviendas de un

piso estas cargas están poco presentes, sin embargo se pueden analizar cargas por presencia de objetos

que cuelgan de las paredes. Los principales objetos que pueden generar una carga estática concentrada

en los muros de una vivienda son: cuadros, lámparas, televisores y enchufes eléctricos; algunos de ellos

requieren modificar la geometría de la pieza, realizando perforaciones sobre la superficie que se

encuentra al interior de la vivienda.

Para estas cargas es necesario calcular el peso de un cuadro, una lámpara, un televisor con su

correcta distribución sobre las piezas y un enchufe eléctrico. Suponiendo que solo un objeto puede

colocarse sobre una ficha, el valor de la carga máxima que un objeto pueda generar será considerada la

carga estática concentrada máxima. Esta carga puede estar presente en la superficie o en un costado de

la pieza, además abarca únicamente una pequeña área en comparación al área total de la pieza.

Si para un cuadro se supone que el lienzo es despreciable con respecto al peso del marco que

generalmente esta hecho de madera. Al suponer que un marco grande para una vivienda de interés

social puede tener dimensiones de 1.5 X 1 metros, un ancho del marco de 0.05 metros y una

profundidad de 0.03 metros, y pueda estar construido de Roble, que es una de las maderas más pesadas

para esta aplicación, el peso total del marco seria:

Al calcular el peso de un cuadro y determinar que el peso de un enchufe eléctrico es

despreciable en comparación a los otros tres objetos a calcular; el objeto más pesado será el resultado

de la carga estática concentrada.

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Para el televisor el peso supuesto es:

Un televisor LED marca LG de 42 pulgadas utilizado comúnmente en la sociedad actual y

considerándolo como el televisor más costoso al que pueda acceder un ciudadano que viva en una casa

de interés social, se investiga el peso de este televisor el cual está registrado en 13.3 Kg, el sujetador a

la pared tiene un peso despreciable y este debe colocarse sobre dos fichas por su amplia longitud, el

total de la carga estática concentrada por parte de un televisor es: (LG, 2014)

El peso máximo de una lámpara de pared según la compañía IKEA, la cual tiene un su

portafolio una lámpara con un peso de 1.1 Kg y es la más pesada que tienen; esta se ubicaría sobre la

superficie externa de la ficha al interior de la vivienda y el peso máximo que debería resistir seria:

(Ikea, 2014)

Al determinar el peso de diferentes objetos se puede predecir que el valor máximo de la carga

estática concentrada es de 65.24 N, el equivalente a la mitad del peso de un televisor común, la

distribución de este peso puede ser puntual, perforando una superficie lateral de la pieza, para este caso

es importante determinar cómo alterara el correcto funcionamiento de la pieza al ser sometida a una

deformación permanente de su geometría, en la cual se podrá instalar otros objetos y agregar un peso

extra a la estructura.

4.1.4 Cargas del viento

Las cargas producidas por el viento son aquellas que golpean el material debido a la velocidad

del viento, estas son una presión lateral que varia con la altura de un edificio, sin embargo para las

casas de un solo piso se puede considerar que la velocidad del viento es constante en toda su altura,

además es importante conocer que el viento varia constantemente su ángulo de ataque, pero para este

caso se supone que el viento actuara perpendicular a la cara externa de la pieza, ya que es cuando el

viento golpea con mayor fuerza una superficie.

A pesar de que el viento varía mucho a lo largo de la vida útil de la construcción a realizar, la

carga del viento puede ser considerada una carga estática uniformemente repartida por toda la

superficie y únicamente es necesario conocer la carga máxima que proveerá el viento cuando esté

presente a su mayor velocidad. Otra consideración importante para las viviendas de un solo piso, es que

por su cercanía al suelo muchos obstáculos reducen la velocidad del viento con la que va a impactar la

superficie externa de la vivienda, sin embargo para este análisis además de suponer la mayor velocidad

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del viento, se supone que esta vivienda está libre de objetos al exterior que pueden reducir dicha

velocidad.

Por otro lado es importante considerar que las cargas del viento además de actuar de manera

perpendicular a la superficie de la pieza, pueden crear un empuje o una succión de la pieza, que

dependen del sentido del viento y la forma de la vivienda. Además de ser fuerzas contrarias las que

puede generar el viento, la fuerza de empuje al golpear directamente el viento a una superficie es

mucho mayor que la fuerza de succión que dicha velocidad podría generar. A continuación se presenta

un esquema para poder observar como ataca el viento las diferentes caras de la vivienda.

Figura 12. Fuerzas que genera el viento a una vivienda.

Para determinar la presión que ejerce el viento hay que determinar el nivel de exposición de la

construcción, como ya se planteo anteriormente, el peor de los casos es cuando la construcción está

expuesta directamente al viento, es decir, no tiene ningún obstáculo que reduzca su velocidad antes de

llegar a la construcción.

Según el Manual integral para el diseño y la construcción de Frederick S. Merritt la máxima

exposición se denomina Exposición D la cual se aplica para áreas planas no obstruidas expuestas al

viento que sopla sobre una gran extensión de agua, con una distancia a la línea de la costa desde la

construcción de no más de 1500 pies, el equivalente a 457.2 metros.

Para la Exposición D se plantea la siguiente ecuación:

La altura máxima de la vivienda se establece en 2.2 metros, igual a 7.22 pies. Por lo tanto la

constante K es igual a:

Sin embargo para la Exposición D se plantea que para alturas menores a 15 pies la constante K

debe ser igual a 0.0031. (Merrit, 1997)

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Si la velocidad del viento más alta se presenta en la región del Atlántico, según los datos de la

velocidad básica del viento por la norma ASCE 7- 95, esta velocidad es de 130 Km/h, igual a 80.78

millas/h.

Por lo tanto la presión de la velocidad del viento es:

Si la presión que ejerce el viento sobre la cara externa de la pieza es la mostrada anteriormente,

se procede a calcular la fuerza del viento:

Conociendo los valores de la presión máxima del viento y el área lateral de la pieza se calcula la

fuerza total sobre la cara externa de la pieza.

4.1.5 Cargas constrictivas

Las cargas constrictivas son reacciones internas del material en sus uniones con otras piezas,

donde se crean fuerzas por cambios de temperatura al dilatarse el material y querer expandirse, en el

ajuste con otras piezas se limita esta expansión y se crean fuerzas en las superficies de contacto de la

pieza. Sin embargo, como los ajustes entre uniones de piezas son del mismo material este también se

dilata en la misma magnitud, pero para el cálculo de las cargas constrictivas se realizara el supuesto de

que la cara externa que limita la expansión del material esta inmóvil y restringe en totalidad el

movimiento, por lo tanto se genera un esfuerzo interno por buscar expandirse pero estar limitado a

hacerlo. Así se puede determinar el estado de esfuerzos en diferentes lugares de la pieza y determinar si

dichos esfuerzos superan el límite de fluencia del material.

Para este caso se tienen en cuenta dos datos importantes, en primer lugar se determinara el delta

mayor de temperatura presentado en Colombia según los datos del Ideam, y en segundo lugar las

características del material seleccionado provisional, el Policloruro de Vinilo.

El delta de temperatura máximo en Colombia se determinó con la máxima variación de

temperaturas analizada para cada mes en todas las regiones del país, se selecciono el municipio que

presento dicha variación de temperatura y se selecciona este delta de temperatura para realizar los

cálculos; si la ficha está en capacidad de soportar esta variación de temperatura, podrá soportar la

variación que se presente en cualquier lugar del territorio colombiano.

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La temperatura de referencia del municipio que presento un delta mayor de temperatura es:

MUNICIPIO DEPARTAMENTO ELEV [m] LONGITUD LATITUD Delta °C

Sogamoso Boyacá 2500 72°58’4.5”W 5°40’37.0”N 19,3

Tabla 3. Delta de temperatura máximo en Colombia según Ideam. (Ideam, 2014)

Al someter la pieza a un delta de temperatura, generará que su geometría se expanda y se

contraiga repetidas ocasiones dependiendo de la magnitud del delta, si la pieza está en libertad de

hacerlo no se crearan esfuerzos internos, pero si la ficha está restringida el material buscara cambiar su

forma y no podrá, por lo tanto se crean reacciones internas, pero conservara sus dimensiones.

Con el delta de temperatura máximo de operación de la pieza, se calcula la expansión térmica

del material en su longitud total, ya que en este lugar va a estar restringido por otra pieza que se desea

expandir igualmente:

Para la longitud total de 0.34 metros:

Como el módulo de elasticidad varia con la temperatura, disminuyendo al aumentar la

temperatura, se tomara como referencia la temperatura promedio de variación del lugar que presenta la

mayor variación de temperatura. (Cengel, 2008)

Al encontrar los esfuerzos a los que se vería sometida la ficha si se expone a este delta de

temperatura, se determina que son cargas innecesarias que pueden perjudicar el correcto

funcionamiento de la ficha, es necesario determinar el delta de longitud para el estado de esfuerzos de

las longitudes de ajuste, entre ellas están las dimensiones de 0.01 metros, 0.04 metros, 0.065 metros y

0.13 metros que se podrán observar posteriormente en el diseño de la pieza.

Para la longitud de 0.01 metros:

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Para la longitud de 0.04 metros:

Para la longitud de 0.065 metros:

Para la longitud de 0.13 metros:

Buscando minimizar las cargas constrictivas, se calculan los cambios en las dimensiones de

diseño que eliminan las cargas constrictivas en cada uno de los ajustes, así se podrá asegurar que al

aplicar ajustes de esta magnitud la pieza está en la facultad de expandirse libremente sin restricción y

no se generaran cargas internas por cambios de temperatura, si la pieza opera en cualquier lugar del

territorio colombiano.

4.2 Selección del material

En el sector de la construcción se ha venido implementando una nueva forma de edificar

viviendas con el uso de polímeros, que provee a la sociedad un beneficio entre las necesidades de

construcción y la protección al medio ambiente. El uso de alguno de estos materiales en la ficha de

construcción que se desea para viviendas de un piso, posee varias características que dan a la sociedad

una forma de construcción más rápida, con menos desperdicios, más amigable con el medio ambiente y

con una buena relación costo-beneficio.

El uso de polímeros en la construcción traen beneficios como la durabilidad y la resistencia a la

corrosión, esto permite que el material este expuesto al exterior y no presente fallas, logrando

permanecer por largos periodos de tiempo. Son materiales útiles para el aislamiento acústico y térmico,

lo cual se analiza con el espesor en el diseño de la ficha. Por otra parte, estos materiales son muy

ligeros, es decir, tienen bajas densidades, incluso inferiores a la del agua, lo cual facilita su transporte e

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instalación. El precio de estos materiales en el mercado colombiano es bajo, lo que ayuda a construir

una casa a un precio razonable. Finalmente el uso de estos materiales poliméricos en la construcción es

amigable con el medio ambiente ya que se caracterizan por poderse reciclar, reutilizar o transformar en

otra fuente de energía.

Para seleccionar cual será el material del que se creara la ficha, se analizaran diferentes

materiales poliméricos utilizados en este tipo de aplicación, se compararan sus características y se

seleccionara finalmente aquel material que se considere el más apropiado para cumplir su función

correctamente.

No obstante, este proyecto se enfoca inicialmente en el diseño de la ficha, el material

seleccionado en este caso no garantiza que la ficha se cree de este material, ya que se está trabajando en

realizar un compuesto con fibras bio poliméricas del cual aun no se tienen resultados. Por lo tanto, es

necesario seleccionar un material opcional para realizar los cálculos y otro para la fabricación del

prototipo; sin embargo con este material seleccionado se garantizará la correcta funcionalidad de la

ficha.

4.2.1 Propósito

Se busca identificar el material para fabricar una ficha de construcción de viviendas, el cual sea

capaz de soportar las cargas que se ve sometida una vivienda común de un solo piso, además de ser

capaz de resistir un largo periodo de funcionamiento sin alterar su composición y ser capaz de resistir

los cambios climáticos presentes en los diferentes lugares del territorio colombiano.

En la fabricación de viviendas se utiliza actualmente diferentes polímeros, por lo tanto es

importante tener referencias de que el material seleccionado ya se esté utilizando para esta aplicación.

Además es necesario determinar las características esenciales que diferencian este material y lo hacen

más propicio que otros para construir viviendas seguras.

El material se utilizara para fabricar la ficha en su totalidad, es decir, toda la ficha estará

compuesta únicamente de este material, las principales características y lo que se busca de ellas se

listan a continuación:

El material debe ser reciclable: El uso de un material reciclable es esencial para la construcción

sostenible, ayuda a evitar desperdicios en la construcción, que es un gran problema de la

construcción convencional.

El material debe tener una baja densidad: La baja densidad del material ayuda a disminuir el

peso del muro, lo cual es importante para la mano de obra y en caso de un accidente el impacto

es menor.

El material debe tener un bajo coeficiente de expansión térmica: Este es uno de los puntos más

importantes en la búsqueda del material, ya que la ficha va a sufrir cambios considerables de

temperatura.

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El material debe tener un alto esfuerzo máximo de tensión: Como el material va a estar

expuesto a unas cargas combinadas, resultado de diferentes fuerzas que afectan una vivienda, es

necesario que el material soporte adecuadamente estas cargas y además se obtenga un factor de

seguridad alto.

El material debe tener una alta temperatura máxima de servicio: El rango para que el material

opere adecuadamente debe ser amplio, lo más importante es que la temperatura de servicio

máxima del material este por encima de la temperatura máxima registrada en Colombia.

El material debe absorber muy poca humedad: Si el material está expuesto a un alto porcentaje

de humedad relativa, este debe ser apto para no generar cargas de encogimiento por el

porcentaje de humedad que sea absorbido.

El material debe ser inmune contra termitas, moho, hongos y corrosión: Como este es un

problema típico de las viviendas situadas en diferentes climas, se debe garantizar que el

material no sufra daños por incrustaciones o pérdidas por roedores.

El material debe ser buen aislante térmico y acústico: Para generar comodidad en una vivienda

el nivel de ruido que ingresa a ella debe ser mínimo y la temperatura del exterior debe afectar lo

menos posible la temperatura deseada en el interior.

Teniendo en cuenta las características presentadas anteriormente se presentan algunos

materiales que pueden ser útiles para la fabricación de estas fichas, sin embargo algunas características

de ellos, los hacen más o menos propicios para esta aplicación, lo cual requiere un análisis a fondo de

las características de cada uno para determinar cuál es el más conveniente.

ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno)

PP (Polipropileno)

HDPE (Polietileno de alta densidad)

LDPE (Polietileno de baja densidad)

PS (Poliestireno)

PVC (Policloruro de vinilo)

Al tener en cuenta las características que se buscan para esta aplicación, se realiza el análisis de

los polímeros seleccionados para definir el material del que debe estar compuesta la pieza.

4.2.2 Definir el material

Se realizo un cuadro comparativo de los diferentes materiales plásticos con sus características

para poder determinar cuál será el material más apropiado para la fabricación de la pieza de

construcción, las características fueron seleccionadas para determinar los aspectos más influyentes

sobre el contexto que se desea para la utilización del material.

[Ver Anexo: Cuadro de materiales] En el cuadro de materiales se puede observar las diferentes

propiedades de cada uno y cuáles de ellos son sobresalientes en cada una de ellas.

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Luego de analizar el cuadro de materiales se tiene en cuenta los materiales que mejor resaltan

algunas características y aquellos que sus propiedades no son favorables para la aplicación. Según la

densidad se busca el material más liviano, ya que determinara un valor para la carga muerta menor y

generara una pieza más fácil de transportar y de ensamblar en la construcción. Se busca un material con

baja absorción de agua y humedad debido a que se busca el material que genere menores cargas de

encogimiento, además sea capaz de hermetizar de la mejor manera la vivienda.

Un aspecto importante que su busca encontrar para generar comodidad al interior de la vivienda

es el aislamiento térmico, para esto se analiza la propiedad del material de conductividad térmica, si

este valor es bajo la transferencia de calor será baja, lo que genera un buen aislamiento térmico y una

temperatura deseada al interior más estable. La temperatura máxima de servicio, determina un valor

hasta el cual la pieza puede operar correctamente, sin embargo es recomendable operar a una

temperatura menor a esta para asegurar su correcto funcionamiento; igualmente la temperatura mínima

de servicio define la temperatura más baja a la que puede operar, para Colombia ninguno de estos

materiales presenta problema alguno. El coeficiente de expansión térmica determina que tanto se

expande el material al variar la temperatura, entre menor sea este valor la pieza mantendrá sus

dimensiones y generara menor cargas por reacciones internas de contacto entre piezas.

El material de menor densidad es el polietileno de baja densidad.

El material de menor absorción de agua es el polietileno de baja densidad.

El material con menor conductividad térmica es el Policloruro de vinilo.

El material con la mayor temperatura de servicio es el Polipropileno.

El material con el menor coeficiente de expansión térmica es el Policloruro de vinilo.

El material con el mayor esfuerzo máximo de tensión es el Acrilonitrilo butadieno estireno.

Sin embargo no solo es importante conocer cuál es el material que mas sobresale en cierta

característica, ya que algunas de ellas son más importantes que las otras y un material aunque no sea el

mejor en cierta característica, puede ser muy cercano o simplemente ser suficiente para cumplir

correctamente su función, además un material que sea el mejor en algunas características, puede que en

alguna no alcance el limite necesario establecido para considerarlo apto y garantice su correcta

funcionalidad en la aplicación deseada.

Las construcciones similares en Colombia se han desarrollado con algunos de estos materiales,

en el caso del Polipropileno el proyecto Ecovivienda de Ingepol Outdoor crea casas con este material,

además explican porque utilizan este material para la fabricación de las piezas, resaltando “El

polipropileno reciclado es capaz de resistir muchísimos años a la intemperie. Es inmune a roedores,

plagas, hongos, bacterias y a la humedad. Además, no es combustible y se adapta a cualquier tipo de

clima. Es aislante térmico y eléctrico. Aunque se puede trabajar y manipular con herramienta manual

para madera, no se rompe, ni se astilla fácilmente.” (Ecovivienda, 2013). Por otro lado también existen

prototipos de viviendas creadas de Poliestireno, la compañía Constructora Colombiana de Poliestireno

S.A.S., afirma sobre su material de construcción que “Es un material muy liviano, además es

antisísmico, se adapta a diversas temperaturas, es impermeable y auto extinguible.” (Decoora, 2014).

Por otro lado las casas de PVC son las más utilizada en el mundo, en Colombia existe un representante

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de la compañía Royalco S.A. que fabrica todo tipo de construcciones de PVC, esta compañía afirma

que “El sistema de construcción en PVC, ofrece las mejores condiciones en ahorro de tiempo, limpieza

y durabilidad, así como precios muy competitivos con la construcción tradicional”. (Royalco, 2014)

Al tener en cuenta todas las propiedades de los materiales y sus referencias al ser utilizados para

esta aplicación, se da prioridad a algunas características y se definen unos valores como límite mínimo

para cada una de ellas, el material que mas cargas soporte, se expanda menos al variar la temperatura y

sea un mal conductor térmico se le dará prioridad. Un material que no sea muy denso, soporte más de

50 °C y menos de 0 °C, absorba agua por debajo de 0.3% y absorba humedad menor al 0.05%, será

considerado bueno así no sea el mejor en esta propiedad.

Teniendo en cuenta todos los aspectos mencionados anteriormente se determina que el material

más apropiado para utilizar en esta aplicación es el Policloruro de vinilo, ya que si se realiza un análisis

de todas las características, aunque este no sea el mejor en cada una de ellas, es el material que cumple

en mejor proporción las características deseadas para esta aplicación.

4.3 Requerimientos ambientales

Las viviendas en Colombia generalmente soportan una variación ambiental en varios aspectos

que pueden generar problemas en el material, afectando su forma, su estado o su composición química.

Estos problemas se pueden evitar conociendo de qué material se va a realizar la pieza y los factores que

influyen en la construcción, los cuales dependen del lugar donde se va a ubicar. En algunos casos es

importante determinar el terreno y hacer mediciones de los factores que influyen, sin embargo, en este

caso se van a analizar viviendas para construcción en todo el territorio colombiano, para lo que es

importante conocer la variación general de los aspectos a analizar en todo el territorio.

Los principales aspectos que se van a tener en cuenta para determinar que se cumplan los

requerimientos ambientales son la temperatura, la humedad y la presencia de agua directa, es decir,

inundaciones en las cuales el material está en contacto permanente con el agua. Estos aspectos se van a

analizar estudiando la variación de cada uno de ellos en todo el territorio colombiano, seleccionando en

que municipio se presenta el valor más relevante y comparándolo con las propiedades del material

seleccionado. Estos requerimientos buscan principalmente conocer si el material seleccionado es apto

para soportar las diferentes temperaturas de operación, el porcentaje máximo de humedad relativa y el

posible contacto permanente con el agua. Las cargas que estos factores generan fueron analizadas

anteriormente.

Page 36: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

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4.3.1 Temperatura

La temperatura en Colombia puede variar en gran proporción, ya que se encuentran lugares

cálidos al nivel del mar y lugares montañosos con temperaturas bajas. Para analizar la temperatura,

además de conocer las cargas constrictivas que la dilatación del material puede generar, es importante

conocer características del material que definen si este puede trabajar correctamente en cualquier lugar

que se ubique.

La temperatura máxima en Colombia se determinara según los datos del Ideam, donde se

registra la temperatura máxima para el año 2010 y se presenta para todos los meses del año en todos los

municipios del país, al buscar donde se encuentra la temperatura más alta en Colombia se obtiene:

NOMBRE MUNICIPIO DEPARTAMENTO ELEV [m] LONGITUD LATITUD AÑO MES TEMPERATURA

Guaymaral Valledupar Cesar 50 73°38’51.1”W 9°54’17.7”N 2010 Marzo 36,64°C

Tabla 4. Temperatura máxima en Colombia según el Ideam. (Ideam 2010)

Posteriormente es importante conocer también la temperatura más baja en Colombia, para poder

determinar todo el rango de temperaturas al que se va a someter la pieza por aspectos ambientales. Es

importante tener en cuenta que no se analiza la posibilidad de temperaturas ocasionadas por factores

externos a la temperatura ambiente de todos los municipios del país.

La temperatura mínima en Colombia se determinara igualmente según los datos del Ideam, al

buscar donde se encuentra la temperatura más baja en Colombia se obtiene lo siguiente:

NOMBRE MUNICIPIO DEPARTAMENTO ELEV [m] LONGITUD LATITUD AÑO MES TEMP.

Sierra N. Cocuy Guican Boyacá 3716 72°22’18.2”W 6°24’26.0”N 2010,0 Enero -0,47°C

Tabla 5. Temperatura mínima en Colombia según el Ideam.(Ideam 2010)

A continuación se presenta el rango de temperatura ambiente que va a soportar la pieza. Si esta

se ubica en cualquier parte del territorio colombiano se encontrara en este rango de temperatura, así

posteriormente se podrá analizar si el material seleccionado es apto para soportar dichas temperatura.

Al encontrar el rango de temperatura en el cual va a funcionar la pieza, es importante

compararla con el material seleccionado, la temperatura máxima que se presenta en Colombia es de

36.64°C, si las piezas están hechas de Policloruro de vinilo, con una temperatura máxima de servicio de

72.1°C, la pieza podrá operar sin ninguna complicación. Por otro lado la temperatura mínima

presentada en Colombia es de -0.47 °C según los datos del Ideam, si se compara con la temperatura

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mínima de servicio del Policloruro de vinilo de -41.9°C, se determina que el material funcionará

correctamente.

Finalmente según el requerimiento ambiental de temperatura, si la pieza se realiza de

Policloruro de vinilo no presentara ningún problema al construirse una vivienda en cualquier lugar del

territorio colombiano.

4.3.2 Humedad

Es importante analizar el factor de humedad relativa para los requerimientos ambientales en la

construcción de viviendas, ya que si el material está en la capacidad de absorber un gran porcentaje de

humedad, podrá generar cargas de encogimiento. Por lo tanto, es importante revisar como se va a

comportar el material con diferentes porcentajes de humedad relativa y así poder determinar si el

material a utilizar es el apropiado para esta aplicación. La humedad es un factor importante en todas las

regiones del país, ya que afecta a muchas de las viviendas, su medida designa la cantidad de vapor de

agua presente en un volumen determinado de aire. Esta humedad varía en todo el territorio Colombiano

ya que depende de la evaporación de las fuentes de agua como los océanos. El porcentaje de vapor de

agua que el aire está en capacidad de absorber es el porcentaje de humedad relativa, el cual varía según

la temperatura y la cercanía a fuentes de agua en evaporación.

Por otro lado es importante resaltar que la humedad se mide porcentualmente como humedad

relativa, esto quiere decir que es el porcentaje de vapor de agua que existe en una masa de aire,

comparado con la cantidad máxima cuando el aire está totalmente saturado a cierta temperatura. La

humedad relativa varia directamente con la temperatura por lo tanto una variación grande de la

temperatura variara la humedad relativa igualmente, por lo cual es necesario conocer el rango de

variación de la humedad relativa para la selección del material de construcción.

A continuación se presentan dos cuadros que muestran el rango de humedad relativa presente en

todo el territorio colombiano. En ellos se presenta los valores máximo y mínimo y el lugar donde se

obtienen.

El mayor porcentaje de humedad relativa en Colombia es:

NOMBRE MUNICIPIO DEPARTAMENTO ELEV [m] LONGITUD LATITUD AÑO MES

HUMEDAD

RELATIVA [%]

El Cardon Socota Boyaca 3590 72°31’45.4”W 6°0’42.0”N 2010 Julio 97,32

Tabla 6. Humedad relativa máxima en Colombia según el Ideam. (Ideam, 2010)

El menor porcentaje de humedad relativa en Colombia es:

NOMBRE MUNICIPIO DEPTO. ELEV [m] LONGITUD LATITUD AÑO MES

HUMEDAD

RELATIVA [%]

Media Luna Coyaima Tolima 485 75°7’11.3”W 3°46’25.5”N 2010 Agosto 54,59

Tabla 7. Humedad relativa mínima en Colombia según el Ideam. (Ideam, 2010)

Page 38: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

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A continuación se presenta el rango de humedad relativa que va a soportar la pieza, si esta se

ubica en cualquier parte del territorio colombiano, para posteriormente analizar si el material

seleccionado es apto para soportar dicha humedad relativa.

Si se analiza el rango de humedad relativa presente en Colombia, únicamente es necesario su

máximo valor de este para determinar cómo se comporta el material en este lugar del país, ya que el

menor valor simplemente indica una menor cantidad de vapor de agua en el aire, que implica que será

absorbida una menor cantidad de vapor. Si el material seleccionado absorbe el 0.04% de humedad, y la

humedad relativa máxima es de 97.32%, el material absorberá 0.03998% de humedad en su interior. Al

almacenar máximo esta proporción de humedad en su interior, la pieza presentara muy poca variación

de sus dimensiones por causa de este requerimiento ambiental, además no presentara cargas de

encogimiento.

4.3.3 Precipitaciones

Otro aspecto fundamental para analizar en las construcciones de vivienda de un piso que se

pueden localizar en cualquier lugar del territorio colombiano es la presencia de agua, esta puede

expresarse de dos maneras diferentes, por lluvias que impactan los muros y el techo o precipitaciones

por estancamiento de agua en algunas superficies. Las precipitaciones son el nivel de agua máximo que

crea una altura sobre el suelo presente en cierto lugar del país. Por otro lado las lluvias generan un

contacto temporal con el material y no afectan su estructura; la velocidad y el impacto del agua con el

material es mínimo y no genera cargas considerables, por lo tanto únicamente es necesario estudiar el

nivel de precipitaciones en Colombia y determinar qué porcentaje de la pieza puede estar en contacto

permanente con agua, para determinar su reacción.

En primer lugar si se desea conocer el contacto directo con agua al exterior de la vivienda, es

importante determinar el nivel máximo de precipitación presentado en el territorio colombiano, sin

embargo, como se realiza el análisis para la pieza inferior del muro, solo con determinar que la

precipitación puede superar los 200 mm del supuesto máximo de altura para la pieza, se considerara

que el exterior de la pieza puede llegar a estar en contacto total con agua proveniente de las lluvias y

quedando estancada. Además es importante recordar que el diseño general de la vivienda debe estar en

capacidad de generar la hermeticidad necesaria para evitar filtraciones de agua hacia el interior.

A continuación se presenta un cuadro que muestra el nivel más alto de precipitación registrado

en Colombia para el año 2010.

NOMBRE MUNICIPIO DEPTO. ELEV [m] LONGITUD LATITUD AÑO MES PRECIPITACIÓN [mm]

La Concha Lopez Cauca 130 77°8’8.6”W 3°10’2.5”N 2010,0 Diciembre 2011,3

Tabla 8. Precipitación máxima en Colombia según el Ideam. (Ideam, 2010)

Page 39: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

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Conociendo que la precipitación máxima es muy superior a la altura de la pieza se tendrá en

cuenta que la pieza debe ser capaz de soportar el contacto con agua en toda una superficie lateral.

Si la ficha está en contacto con aguas lluvia en totalidad por causa de precipitaciones, la

absorción de esta agua presente por el material es del 0.26%, lo que indica que si el material está

totalmente en contacto con el agua aumentara su masa en un 0.26%, como no se puede garantizar la

hermeticidad de la ficha, ya que se necesitan ajustes para la dilatación térmica y los ensambles, es

posible que la ficha pueda estar totalmente en contacto con el agua y no solo su superficie externa. Al

estar la pieza en contacto con el agua variara su máxima longitud en 0.059 mm, lo que corresponde a

un cambio mínimo en su geometría, que no causaría cargas considerables por aumento en sus

dimensiones y confinamiento.

En el Cuadro 4 se presenta un esquema de la recopilación de los requerimientos sobre el diseño

de la pieza:

Cuadro 3. Requerimientos y su influencia en el diseño de la ficha.

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5 Diseño de la ficha

El correcto diseño funcional se culmina cuando se logra obtener una pieza capaz de cumplir su

función de la mejor manera posible, para ello es importante aclarar cuál es la función específica que

esta pieza va a cumplir, posteriormente desarrollar una predicción de todos los factores que influyen en

el diseño y finalmente realizar múltiples diseños hasta lograr obtener el diseño más óptimo que sea

capaz de realizar su función adecuadamente.

En primer lugar se presenta el contexto del problema para poder conocer desde qué punto se

parte y a qué punto se desea llegar con la culminación del proyecto, al conocer el contexto se pueden

determinar algunos factores de diseño, como el sector poblacional al que van a dirigirse las viviendas,

el lugar donde se van a construir y los requerimientos básicos del tamaño que tendría la pieza. El

contexto se centraliza más al conocer la motivación de realizar el proyecto, en donde se especifican

unas metas a cumplir y un propósito de mejorar el bienestar humano de nuestra sociedad, las

construcciones convencionales presentan muchos problemas económicos, ambientales y sociales, de los

cuales nace el interés de desarrollar un proyecto que pueda mejorar la calidad de vida de las personas.

Posteriormente se definen los objetivos a cumplir, en el cual se conoce el punto de partida y el

resultado que se desea obtener, con ayuda de estos objetivos se puede realizar una planeación del

proyecto, estimando un tiempo para culminar cada tarea satisfactoriamente. Conociendo bien el

problema a desarrollar se plantea los requerimientos de diseño, el cual abarca todas las consideraciones

importantes de los factores que influyen directamente en la ficha de construcción, luego de evaluarlos

se estima un posible valor máximo para cada uno ellos, en otros casos se determina si el material está

en capacidad de soportar dichos requerimientos.

Se comienza a realizar el diseño de la pieza conociendo cada una de las ideas involucradas en la

función deseada, el proceso de diseño es iterativo, termina cuando todos los requerimientos se cumplen

y tanto el diseñador como el cliente se encuentran satisfechos. Al tener claridad de todos los

requerimientos anteriores al diseño, se plantean los requerimientos funcionales y la forma para

cumplirlos, en este caso ya es necesario realizar algunos modelos y conocer las características

esenciales de la construcción. A continuación se van a presentar los requerimientos funcionales, estos

requerimientos se definieron para poder lograr el elemento más útil y proporcionar una mayor

comodidad en el interior de la vivienda.

5.1 Funcionalidad

La ficha de construcción además de proporcionar seguridad al ser capaz de resistir

satisfactoriamente todas las cargas a las que se vea expuesta, debe estar en capacidad de cumplir una

función que brinde al habitante de la vivienda comodidad, además debe cumplir algunos parámetros

que son necesarios para la construcción general de viviendas. A continuación se presenta una lista de

los requerimientos funcionales que se desean cumplir, algunos de ellos son fácilmente reconocibles en

el contexto del problema y para encontrar los otros fue necesario realizar varios modelos que

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presentaban problemas y ayudaban a determinar un nuevo requerimiento funcional y su solución

respectiva.

Ensamblable: La pieza debe estar en la facultad de ensamblarse con otras fichas similares en

cualquier dirección, por lo tanto el diseño de la parte superior debe corresponder con el diseño

de la parte inferior.

Restricción en el eje vertical Y (Eje perpendicular a la superficie del suelo): Es importante que

la ficha de construcción no se mueva fácilmente, para restringir este eje únicamente es

necesario la ayuda de la fuerza de gravedad, que con su peso y al estar en contacto con otro

objeto se imposibilita el movimiento, en este punto no es necesario crear conexiones entre

piezas que restrinjan este movimiento, ya que se considera suficiente el peso para la correcta

funcionalidad.

Restricción en el eje horizontal X (Eje paralelo a la superficie del suelo y perpendicular a la

dirección del muro): En este caso es necesario crear conexiones en la pieza para impedir el

movimiento de esta con respecto a las demás, ya que se considera que la fricción no es

suficiente para impedir que alguna fuerza externa este en la capacidad de mover la ficha.

Restricción en el eje transversal Z (Eje paralelo a la superficie del suelo y paralelo a la dirección

del muro): La restricción en este eje debe ser limitada también por una conexión entre las piezas

que le impidan el movimiento, igualmente se considera que la limitación con las piezas

continuas a este nivel no garantiza la estabilidad del muro.

Restricción con piezas laterales: En este requerimiento se plantea la necesidad de conectar o no

las piezas del mismo nivel, como las piezas se conectan sobre dos piezas del nivel inferior ya se

limita este movimiento, sin embargo si se crea una conexión entre piezas del mismo nivel se

mejora la estanqueidad y la estabilidad, pero puede crear otros inconvenientes, por lo tanto es

necesario analizarlo para cada caso.

Tuberías verticales: Es indispensable para una vivienda el poder tener en los muros la

posibilidad de integrar en su interior tuberías eléctricas y sanitarias, ya que es necesario para los

habitantes tener acceso a estos servicios y además estos deben estar cubiertos para mejorar la

calidad de vida.

Tuberías horizontales: Una vivienda común tiene tuberías horizontales eléctricas

principalmente, ya que se requiere conexiones para iluminación, electrodomésticos o enchufes;

la ficha debe estar en capacidad de permitir tuberías eléctricas horizontales aunque no es

necesario tuberías sanitarias horizontales ya que estas pueden ir por debajo de la superficie.

Estanqueidad: Este es uno de los requerimientos que se considera más importantes para el

diseño de la ficha, ya que es el que impide el paso de fluidos de un extremo a otro de la

vivienda, es decir, el agua no está en posibilidad de pasar libremente del exterior al interior de

la vivienda si se crea una superficie superior a la cual tuvo ingreso. Por lo tanto es indispensable

garantizar estanqueidad en toda la superficie superior de la ficha.

Posibilidad de construcción transversal: Al crear una ficha estándar para construir los muros de

una vivienda, se tiene el interés de que cumpla el mayor número de funciones posibles y se

necesite el menor número de piezas diferentes a estas para fabricar una casa, por lo tanto se

considera importante que la pieza este en facultad de conectarse transversalmente con una ficha

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igual a ella, para crear las esquinas de los muros y poder continuar perpendicularmente al muro

ya ensamblado. Si este requerimiento no se cumple se crea la necesidad de construir fichas

esquineras para generar este ensamble.

Posibilidad de construcciones triples: Este ítem significa la posibilidad de crear muros internos

en la vivienda o conexión entre viviendas para compartir un muro, es crear un muro

perpendicular a otro pero no en una esquina. Este ítem no se considera muy importante ya que

el diseño de la pieza puede resultar muy complejo, sin embargo debe ser analizado ya que si no

se cumple se requieren de mas piezas para construir la vivienda.

Superficies externas lisas: Las superficies externas lisas generan un mejor aspecto al interior y

al exterior de la vivienda, evitan la posibilidad de incrustaciones de materiales en los orificios,

además facilitan la modificación al interior de la vivienda para instalar objetos en las paredes.

Conexión entre niveles de piezas: Al evaluar posibles diseños de la ficha se determino que para

realizar conexiones laterales entre piezas, cada nivel de construcción del muro debe ir en

sentido contrario para garantizar que en las esquinas de los muros no sobresalgan partes de

algunas piezas. Por otro lado si la pieza posee las superficies lisas en todos los costados no se

pueden conectar lateralmente y por consiguiente no se limita la dirección de conexión entre

niveles de piezas.

Restricción de diseño: La restricción de diseño se limita al espesor y la altura de la pieza, ya que

únicamente múltiplos de esas dimensiones serán la que se podrán construir, sin embargo en

algunos diseños la posibilidad de conectar cada pieza, puede generar una mayor restricción de

diseño ya que no será posible formar cualquier configuración de vivienda.

Posibilidad de perforación: La pieza debe estar en la facultad de permitir modificaciones a sí

misma para que el usuario este en la facultad de instalar objetos en el interior del muro, si la

pieza es muy compleja en el interior la posibilidad de instalar una toma eléctrica será muy

limitada al igual que las tuberías.

Luego de explicar los requerimientos funcionales es necesario evaluar cada uno de ellos y

determinar hasta qué punto se deben cumplir. Por consiguiente es necesario determinar cómo se puede

llegar a cumplir cada requerimiento. A continuación se presenta la misma tabla de requerimientos

especificando el nivel al que se pretende llegar y como se puede cumplir este requerimiento en el

diseño de la ficha.

Ensamblable: Se desea que la pieza tenga conexiones en la parte superior e inferior que

correspondan directamente de cualquier forma, para lograr que se entrecrucen

satisfactoriamente una sobre la otra. En primer lugar se diseñara la parte superior de la ficha con

el cumplimiento de los demás requerimientos y posteriormente se diseñara la parte inferior

relacionando la geometría para que sea capaz de ensamblarse con la parte superior de otra ficha.

Restricción en el eje vertical Y (Eje perpendicular a la superficie del suelo): Se desea

restringirlo totalmente únicamente por el peso de la pieza y el contacto directo con objetos en su

superficie superior e inferior. Este requerimiento no afecta el diseño de la pieza sino que facilita

el eliminar conexiones entre ellas.

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Restricción en el eje horizontal X (Eje paralelo a la superficie del suelo y perpendicular a la

dirección del muro): Se busca restringir este eje totalmente con la conexión entre piezas de

diferentes niveles. Se creará la menor cantidad de conexiones posibles, que estarán a los

costados de la ficha y se conectaran por incrustaciones de la ficha inferior entre la ficha superior

del siguiente nivel.

Restricción en el eje transversal Z (Eje paralelo a la superficie del suelo y paralelo a la dirección

del muro): Se busca restringir este eje totalmente con la conexión entre piezas de diferentes

niveles. Se creará la menor cantidad de conexiones posibles, que estarán a los costados de la

ficha y se conectaran por incrustaciones de la ficha inferior entre la ficha superior del siguiente

nivel.

Restricción con piezas laterales: Luego de realizar diferentes diseños se determino que esta

conexión no es necesaria, ya que genera más complicaciones que los beneficios que puede dar,

en primer lugar no crea superficies externas lisas para poder incrustar elementos de una pieza

entre otra, la conexión entre niveles de piezas debe cambiar de sentido lo cual puede complicar

la construcción y además crea un diseño muy complejo que dificultaría su manufactura. Por

consiguiente no se crearan conexiones laterales de ninguna manera

Tuberías verticales: Se considera indispensable el poder tener tuberías eléctricas y sanitarias

verticales directas entre los niveles de las piezas. Se tendrá la posibilidad de pasar cualquier

objeto hasta de 110 milímetros en su mayor dimensión, de manera vertical directa desde el

techo hasta el suelo de la vivienda.

Tuberías horizontales: Únicamente son necesarias tuberías horizontales eléctricas, además estas

pueden ser de tubería flexible, por lo tanto pueden ser conexiones indirectas (no son en línea

recta). Se podrán pasar tuberías eléctricas flexibles en una conexión indirecta únicamente hasta

1 pulgada de diámetro interno, lo cual creara una conexión entre niveles de piezas que pueda

generar diagonales al interior del muro.

Estanqueidad: Se debe garantizar la estanqueidad sobre toda la superficie superior de la ficha.

Por lo tanto se crearan dos superficies en las cuales la parte interna siempre será superior a las

externas, incluso en las conexiones.

Posibilidad de construcción transversal: La ficha debe estar en capacidad de conectarse

transversalmente en cualquier sentido. Por lo tanto las dimensiones de espesor y largo son

equivalentes y la creación de dos módulos idénticos facilitan su ensamble.

Posibilidad de construcciones triples: Como las conexiones triples generan un diseño muy

complejo en la ficha y limita en gran proporción las posibilidades de diseño de viviendas, no se

considera relevante. Por lo tanto no se cumplirá este requerimiento.

Superficies externas lisas: Las superficies externas deben ser lisas ya que esto afecta en gran

proporción el aspecto de la vivienda y facilita la manufactura. Por lo tanto no se modificaran las

superficies laterales, únicamente las superficies superior e inferior tendrán modificaciones para

crear los ensambles.

Conexión entre niveles de piezas: La conexión entre niveles de piezas debe ser libre, por lo

tanto estas se deberían poder conectar de ambas maneras sin importar el nivel inferior. Por la

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creación de los dos módulos idénticos se podrá conectar en cualquier dirección los diferentes

niveles.

Restricción de diseño: Esta restricción únicamente debe estar presente por el espesor y la altura

de la pieza, por lo tanto el diseño debe permitir cualquier tipo de conexión entre piezas. Este

requerimiento se lograra creando una pieza simétrica sobre dos de sus ejes principales y el otro

eje genera un ensamble directo que limitaría la construcción únicamente a la altura de la pieza.

Posibilidad de perforación: La pieza debe estar en capacidad de permitir una perforación sobre

su superficie lateral y estar hueca en su interior para poder instalar diferentes objetos, como

tomas de corriente. Todas las paredes de la pieza se pueden perforar, el interior será totalmente

hueco y se permitirá hasta un cuadrado de 110 milímetros de lado.

Encontrando y definiendo los requerimientos funcionales de la pieza, fue posible determinar

qué se aspira alcanzar con el diseño, y de qué manera es posible cumplir cada uno de ellos, al

determinar todos los factores que se involucran en el diseño se logrará construir el diseño final, en el

cual es necesario demostrar el proceso para llegar a él y explicar la razón de ser de cada línea del

diseño en la pieza final. A continuación se presenta un cuadro con el resumen de requerimientos

funcionales.

Cuadro 4. Requerimientos funcionales para el diseño de la ficha.

5.2 Proceso de diseño

Una vez definido todos los requerimientos involucrados en la fabricación de la ficha de

construcción de viviendas, es necesario mostrar el proceso para llegar al diseño final. Este proceso de

diseño se basa en una idea que se va desarrollando para cumplir cada requerimiento, en la cual al

identificarse un problema, se debe replantear el diseño nuevamente e intentar repararlo, este proceso

requiere de mucho intentos para conseguir el diseño final, tantos como sea necesario, con el fin de

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obtener un diseño que se ajuste perfectamente a la función que va a cumplir esta pieza. A continuación

se presentan dos ideas importantes para la realización del diseño de la ficha y su forma de realizarlo.

“Diseñar es formular un plan para satisfacer una necesidad especifica o resolver un problema

particular. Si el plan resulta en la creación de algo físicamente real, entonces el producto debe ser

funcional, seguro, confiable competitivo, útil, que pueda fabricarse y comercializarse.” (Budynas,

2012)

“El diseño es un proceso innovador y altamente iterativo. También es un proceso de toma de

decisiones, que en ocasiones deben tomarse con muy poca información, otras con apenas la cantidad

adecuada y en ocasiones con un exceso de información parcialmente contradictoria” (Budynas, 2012)

Teniendo en cuenta lo discutido anteriormente y el Cuadro 6 que se presenta a continuación, se

realizo el proceso de diseño, en el cual se involucraron muchas variables y se realizaron muchos

modelos, con el fin de llegar a un producto final como solución al problema planteado.

El esquema de diseño que se siguió para realizar el diseño de la ficha es el siguiente:

Cuadro 5. Fases del proceso de diseño que reconocen múltiples retroalimentaciones e iteraciones. (Budynas, 2012)

En primer lugar se partió de un diseño ya existente similar al del proyecto de Ecomat Researsh,

ya que es el diseño modular que más se asemeja a lo deseado en este proyecto, posteriormente se

procede a realizar los cambios respectivos para mejorar la funcionalidad de la pieza y obtener un

producto que sea capaz de cumplir en mayor proporción las necesidades que se plantean para la ficha

de construcción. Las dimensiones planteadas anteriormente, ya se implementan en el modelo, para

tener una mejor perspectiva de las debilidades que se presenten.

A continuación se presenta el primer diseño de la ficha, el cual está basado únicamente en el

contexto del problema relacionado con los proyectos ya existentes. Como este es un diseño muy básico

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sirve como punto de partida para implementar los nuevos requerimientos e ir cambiando algunos

aspectos del diseño, al analizar las fortalezas y debilidades que tiene este diseño se puede lograr una

ficha de construcción más acorde a las necesidades que se plantean, ya que se considera que este diseño

no está bien enfocado a la construcción de viviendas cómodas y seguras.

Figuras 13 y 14. Primer diseño realizado, vistas isométricas superior e inferior.

Luego de realizar este primer diseño, se procedió a analizar sus principales debilidades frente a

los requerimientos funcionales, de allí se pudo observar que casi ningún requerimiento se cumple, por

lo tanto se modifico este diseño en la búsqueda de lograr cumplir un mayor número de requerimientos

funcionales. A continuación se muestra el resultado de este proceso con el siguiente diseño de la ficha

de construcción.

Figura 15. Modificación final al primer diseño propuesto.

Se realizaron las modificaciones respectivas y se determino que el diseño no está en la

posibilidad de cumplir todos los requerimientos deseados, en este diseño es posible realizar conexiones

transversales, sin embargo las superficies no son planas lo que se debe a la conexión con piezas

laterales, al realizar conexiones transversales, los agujeros para las tuberías horizontales se volverían

visibles al exterior de la vivienda y esta pieza no está en la facultad de impedir el paso de agua en su

superficie superior.

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Al determinar que esta pieza presenta muchos inconvenientes, se concluyo que no es un buen

punto de partida para comenzar el diseño de la ficha, es necesario presentar un diseño mucho más

simple del cual se pueda partir con mayor facilidad a modificarlo y llegar a cumplir todos los

requerimientos funcionales deseados para la pieza. A continuación se presenta el diseño más simple

como nuevo punto de partida para comenzar a realizar el diseño esperado.

Figura 16. Diseño simple.

Con un diseño más simple para la ficha de construcción, es más fácil realizar modificaciones

para obtener un mayor número de requerimientos funcionales cumplidos, a continuación se presenta el

diseño obtenido luego de realizar las modificaciones necesarias para que el producto cumpla su función

correctamente.

Figura 17. Modificación final al diseño simple propuesto.

Como no se logro obtener el resultado deseado luego de realizar todas las modificaciones

posibles al diseño simple, se analizo los principales errores del diseño que no permiten el cumplimiento

de algunos requerimientos, para plantear un nuevo modelo de partida que incluya la mezcla de los dos

primeros modelos básicos de ficha propuestos. En primer lugar se determino que el diseño presentado

anteriormente, no está en la capacidad de permitir conexiones transversales, y el primer diseño

propuesto presentado en la Figura 11, no está en la facultad de garantizar estanqueidad, por lo tanto se

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realizo una mezcla entre los dos diseños para partir de una alternativa que garantice ambos

requerimientos y de este se pueda partir a realizar nuevas modificaciones que determinen que la ficha

este en capacidad de cumplir su función correctamente.

A continuación se presenta el resultado obtenido luego de realizar un diseño que involucre las

características de los diseños presentados en la Figura 11 y 14, ya que se desea un punto de partida que

sea capaz de cumplir dos requerimientos básicos para las fichas de construcción de viviendas.

Figura 18. Diseño inicial compuesto.

Al obtener un diseño que es capaz de conectarse transversalmente y garantiza la estanqueidad

en la superficie superior, se procedió a realizar las modificaciones necesarias para cumplir los demás

requerimientos, de lo cual se logro obtener el siguiente diseño:

Figuras 19 y 20. Modificaciones al Diseño inicial compuesto, vistas isométricas superior e inferior.

En el diseño presentado anteriormente ya se obtiene en buena parte el resultado buscado para

los requerimientos funcionales, algunos de ellos se cumplen pero no de la manera más apropiada, sin

embargo aun no era posible obtener un diseño capaz de cumplir las conexiones triples, por lo cual se

planteo una extensión del último diseño propuesto con el fin de cumplir este requerimiento funcional y

obtener una ficha que minimice el total de fichas necesarias para fabricar una vivienda.

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A continuación se presenta el nuevo diseño con conexiones triples. En este diseño se observa

que el tamaño de la pieza aumenta, por lo tanto la restricción de diseño de viviendas es más limitada, y

al realizar ensambles de este diseño para fabricar una vivienda, se observa que no se puede formar

todas las figuras con estos elementos, y es posible llegar a un punto vacio en el cual no es posible

insertar una nueva ficha por su campo inhabilitado. Luego de obtener este resultado se determino que

es preferible obtener un diseño que no sea capaz de realizar conexiones triples, pero tenga menores

restricciones de diseño y una mayor facilidad de construir viviendas.

Figura 21. Diseño de tres módulos.

Como se determino que las conexiones triples no se pueden satisfacer por un diseño modular

simple, se vuelve a un diseño de dos módulos que facilita la construcción de diferentes tipos de

viviendas, al analizar la Figura 16, se pudo observar que la mayoría de requerimientos se cumplen, sin

embargo su geometría es muy compleja y las superficies externas no son lisas, por lo tanto fue

necesario simplificar el diseño y eliminar el requerimiento de conexión con piezas laterales para

obtener una geometría más simple, mas fácil de manufacturar y con superficies externas lisas. A

continuación se presenta un diseño simplificado al presentado en la Figura 17.

Figuras 22 y 23. Diseño ficha simplificada, vistas isométricas superior e inferior.

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En el diseño presentado anteriormente se puede observar un diseño más simple que está en la

capacidad de cumplir los requerimientos de la forma deseada, sin embargo este diseño aun no cumple

algunas características y las tuberías verticales se verían muy limitadas, por otro lado los agujeros en la

parte superior externa facilitaría el paso de agua entre piezas, ya que están directamente sobre la

primera superficie superior. Se replanteo el diseño para buscar un diseño aun más simple y que

estuviera en la capacidad de cumplir todos los requerimientos de la mejor manera posible, en este caso

ya se incluyen algunos aspectos de manufactura para el moldeo por inyección, que se explicaran

posteriormente.

A continuación se presenta el diseño final sin tener en cuenta los ajustes por cargas

constrictivas, ajustes de ensamble deseado y ajustes de manufactura.

Figuras 24 y 25. Diseño final, vistas isométricas superior e inferior.

Con un diseño más simple la manufactura es más sencilla, el peso es más reducido y su precio

es menor, si todos los requerimientos se cumplen de la mejor manera posible se puede decir que se

obtiene un diseño eficiente. En el diseño presentado en la Figura 22 todos los requerimientos se

cumplen de la manera planteada en los requerimientos funcionales, además se realizo de la manera más

simple posible. Por lo tanto se puede considerar que el proceso de diseño ha culminado

satisfactoriamente y es necesario proseguir con los ajustes necesarios para lograr una pieza fácil de

ensamblar.

5.3 Ajustes de diseño

Los ajustes de diseño son aquellos que facilitan el ensamble de las piezas según el propósito

para el cual se van a utilizar, el diseñador define un tipo de ensamble de acuerdo a la función que van a

realizar los elementos, en este caso es indispensable definir dos tipos de ensamble, el primero es para

facilitar el ensamble de las piezas aplicando un radio a una de las partes que se desean ensamblar, con

el fin de que las piezas se ajusten más fácilmente al deslizarse sobre una curva que las dirige al lugar

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deseado. Por otro lado se va a determinar un ajuste para las dimensiones de los ensambles, con el fin de

que el ensamble se realice correctamente y de la manera deseada.

En primer lugar se va a definir el ajuste que deben tener las piezas para facilitar el ensamble

cuando se esté construyendo una vivienda, en este caso se decide realizar el ajuste aplicando un radio a

las partes de la superficie superior que se van a ensamblar con la inferior, esto se realiza porque al

ensamblar la pieza en primer lugar se ensambla por su parte inferior al colocarla sobre otra pieza, por lo

tanto la parte superior es aquella que se encuentra inicialmente en el ensamble y de allí se ensamblara

otra pieza.

Este ajuste facilita el ensamble al deslizar la pieza al lugar correcto, únicamente se realiza para

permitirle al constructor mayor facilidad al ensamblar las piezas, hay que tener en cuenta que el radio

no debe ser muy alto ya que esto reduce el área de contacto con la otra pieza, lo que aumentaría el

esfuerzo al tener la misma carga y disminuirá el área a la cual se aplica. Si el radio es muy pequeño no

ayudaría a deslizar una pieza entre la otra, por lo tanto se desea calcular un radio intermedio que facilite

un poco el ensamble pero no perjudique la resistencia de la ficha al aplicarle cargas. Por otro lado si se

aplica este radio, la altura de contacto entre las piezas también se disminuye lo que generaría una

perdida en la estabilidad del ensamble. Se decide aplicar un radio muy pequeño pero significativo para

ayudar en el ensamble de las piezas, como la altura de contacto es de 20 mm y es la distancia mínima

entre las dos superficies involucradas en este ajuste, se consideró que máximo el 10% de esta altura

puede ser afectada por aplicar un radio que facilite su ensamble, por lo tanto el resultado final es un

radio de 2 mm en cada uno de los ajustes sobre la parte superior de la pieza. En la siguiente figura se

puede observar el radio a realizar.

Cuadro 6. Radio aplicado a la ficha para facilitar el ensamble.

Luego de determinar el único ajuste que se desea para facilitar el ensamble, es necesario definir

el tipo de ajuste según el propósito que va a cumplir el elemento, para esto se plantea la necesidad

siguiente para la ficha de construcción:

La ficha debe ser fácil de ensamblar, sin la necesidad de aplicar mucha fuerza en el ensamble,

ni utilizar alguna herramienta para lograr unirlas, una persona debe ser capaz de colocar una

sobre la otra, alinear su dimensión y ser capaz de unirlas realizando una mínima presión sobre

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la ficha. Por otro lado la ficha no debe tener la posibilidad de moverse con respecto a las otras,

por lo tanto el ajuste debe garantizar que las piezas mantengan su posición inicial.

Para garantizar este tipo de ajuste deseado es importante definir el tipo de ensamble; en primer

lugar se selecciona si el ajuste es con juego, de transferencia o de interferencia, para este caso como se

desea que la pieza se pueda colocar fácilmente, se selecciona un ajuste con juego. Posteriormente se

selecciona el tipo de ajuste que se desea, para este caso se selecciona un ajuste deslizante que se utiliza

para cuando no se pretende que las piezas se muevan libremente, una respecto a la otra y puedan

colocarse con precisión fácilmente. (Vanegas, 2011)

En este tipo de ajuste se determina que la dimensión base tiene la estipulada en el diseño y la

dimensión que se introduce es necesario reducirla; hay que tener en cuenta que la tolerancia la define el

método de manufactura utilizado para crear la pieza. Este tipo de ajuste define que se debe reducir en

0.009 mm cada dimensión de la pieza ajustada, sin embargo, como la dimensión de ajuste está en

contacto por cada lado se define que el ajuste necesario debe ser de 0.018 mm. Las dimensiones que se

desean varían un poco, ya que el ajuste debe permitir el ensamble deseado, por otro lado este ajuste de

diseño es un ítem mas que se va a comparar finalmente con los ajustes de cargas constrictivas y los

ajustes de manufactura, para definir el ajuste final que va a tener la pieza. A continuación se presenta

un diagrama para ilustrar la dimensión que se va a reducir para garantizar el tipo de ajuste deseado:

Cuadro 7. Distancias reducidas para crear un ajuste de deslizamiento.

Al definir el tipo de ajuste deseado es necesario analizar la manufactura del elemento para

introducir en el diseño los elementos necesarios para la correcta manufactura según el moldeo por

inyección. En este proceso se plantean muchos elementos que se deben implementar en el diseño para

que se mejore la calidad del producto terminado.

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6 Fabricación

La fabricación de la ficha para construcción de viviendas se compone de dos partes importantes,

en primer lugar se van a definir las características necesarias para poder manufacturar la pieza en un

proceso de moldeo por inyección, en este método se involucra una serie de variables necesarias para

controlar el proceso y poder obtener la pieza como se desea. En este caso únicamente se van a analizar

las variables que afectan el diseño de la pieza, y las ayudas que se puedan implementar para facilitar el

proceso de fabricación. Por otro lado se van a crear tres prototipos de la pieza, para poder verificar sus

características físicas y la calidad del ensamble que se puede proporcionar.

El proceso de fabricación define varios aspectos que afectan el diseño, al culminar la sección de

moldeo por inyección no se presentaran modelos físicos de la ficha creada por este método de

manufactura, sino que se presentará el diseño de la pieza involucrando todos los aspectos necesarios

para poder manufacturarla por este método sin ningún inconveniente, algunos de ellos incluyen las

tolerancias, los espesores mínimos y máximos, la concentración de esfuerzos y algunas técnicas

utilizadas para mejorar la calidad del proceso.

Los prototipos de la pieza se fabricaran de acuerdo a los alcances del proyecto, en estos se

involucra el presupuesto y las herramientas que se pueden utilizar, estos prototipos se crearan de la

mayor calidad posible, con el fin de validar la correcta funcionalidad de la ficha de construcción.

Finalmente se determinaran los ajustes necesarios al diseño de la pieza de acuerdo a las tolerancias que

puede proporcionar el moldeo por inyección, en el cual se podrá comparar todos los ajustes definidos

anteriormente y determinar cuál será el ajuste final para los ensambles de la ficha.

6.1 Moldeo por inyección

El moldeo por inyección es una técnica de manufactura que involucra muchas variables para

mejorar la calidad del producto terminado, algunas de estas variables se involucran directamente en el

diseño de la pieza y otras son variables a controlar para que el proceso se realice adecuadamente,

algunas de las variables que se pueden determinar en el moldeo por inyección son:

Diseño de la pieza

Flujo del material

Compatibilidad de la máquina de moldeo

Resistencia de los materiales para el molde

Ventilación del molde

Transferencia de calor

La expansión térmica del molde

Coeficientes de fricción

Resistencia a la abrasión

Sistema de expulsión

Configuración del molde

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Existen muchas variables involucradas en el proceso de moldeo por inyección, sin embargo

únicamente se analizara el diseño de la pieza, ya que este aspecto es el más relevante en el proyecto. En

el diseño de la pieza se debe garantizar dos aspectos fundamentales, el primero es que la pieza pueda

ser moldeable y el segundo que la calidad del producto terminado sea la deseada, así se podrá evitar

todo tipo de defecto típico presente en este método de manufactura como rechupes, rebabas, flujo

laminar, porosidad y depresión superficial, entre otras.

En el diseño de la pieza se debe garantizar que todos los aspectos funcionales y operacionales

están definidos correctamente, se debe determinar si la pieza va moldearse como una unidad o como

diferentes partes que se ensamblaran posteriormente, se deben tener en cuenta las geometrías que

facilitan el flujo del material dentro del molde, se debe determinar las tolerancias que va a tener cada

parte de la pieza, y se deben aplicar diferentes recomendaciones que mejoran el flujo e incrementan la

resistencia. (Gordon, 2010)

Geometrías

Un buen diseño de las geometrías en la pieza ayudara a disminuir la posibilidad de defectos de

fabricación, en este punto es importante analizar que geometrías son mas recomendadas para aplicar en

la pieza y que geometrías deben rediseñarse para mejorar el flujo del material.

Este aspecto ya se ha tenido en cuenta para el diseño presentado en las Figuras 22 y 23, pero no

se ha demostrado la razón por la que algunas geometrías adquieren esa forma. Una recomendación

importante en el moldeo por inyección es aumentar los ángulos para que el material fluya

correctamente, no se generen atascos y todas las partes de la pieza tengan la cantidad de material

necesario, para esto se presenta el siguiente diagrama el cual explica la preferencia por algunas

geometrías.

Cuadro 8. Geometrías preferentes en el moldeo por inyección.

Teniendo en cuenta que geometrías mejoran el flujo del material y ayudan a prevenir defectos

en la fabricación de las piezas, se analiza el diseño seleccionado y se implementan las mejores

geometrías, en este caso se seleccionan ángulos de 90 grados o superiores para todas las geometrías, y

se analiza la posibilidad de crear geometrías circulares que son las más recomendadas. (Gordon, 2010)

Tolerancias

Es importante definir que tolerancias se van a tener en la pieza para determinar el ajuste que se

puede proporcionar al ensamble cuando se realice la construcción con estas fichas, la siguiente tabla

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muestra las tolerancias dimensionales para geometrías simples y estas se van a tener presente para las

dimensiones de la ficha.

Dimensión (in) Dimensión (mm) Tolerancia (in) Tolerancia (mm)

1 o menos 25,4 0,0005 0,0127

2 50,8 0,001 0,0254

4 101,6 0,002 0,0508

6 o mas 152,4 0,003 0,0762 Tabla 9. Tolerancias para diferentes dimensiones de geometrías simples. (Gordon, 2010)

Al tener en cuenta la tabla presentada anteriormente, se calcula una posible tolerancia a

implementar en las dimensiones principales del ajuste, para determinar el rango de variabilidad del

ajuste que se puede proporcionar a la pieza.

Dimensión (mm) Tolerancia (mm)

340 ± 0,0762

130 ± 0,065

65 ± 0,0325

40 ± 0,02

10 ± 0,0127 Tabla 10. Tolerancias para las medidas de ajuste de la ficha.

Conociendo la tolerancia que se puede proporcionar con el método de moldeo por inyección a

cada una de las dimensiones de ajuste presentes en la ficha, se puede determinar el ajuste final que va a

tener la pieza incluyendo todos los aspectos relacionados para conseguir el mejor ajuste posible; este

dato se presentara posteriormente en la sección de ajustes de fabricación.

Selección de parámetros de diseño correctos

Existen algunas recomendaciones para que el diseño se pueda fabricar mediante la técnica de

moldeo por inyección, además ayuda a evitar defectos y proporciona un diseño más resistente. Estos

parámetros se deben aplicar directamente al diseño de la ficha y no a otra variable del proceso de

moldeo por inyección, a continuación se exponen las características que son necesarias para el diseño y

se evaluaran para el caso del diseño de la ficha de construcción de viviendas.

Radios en las esquinas

Espesor uniforme de la pieza

Espesores recomendados

La estética de la superficie

Radios en las esquinas

Si se implementan radios en las esquinas se mejora la geometría de la pieza, se mejora el flujo

del material al ingresar al molde y se incrementa la resistencia de la pieza. No a todas las esquinas se

les pueden aplicar un radio, ya que algunas de ellas se desean con un ángulo recto para el diseño

estético del elemento, además algunas de ellas no son necesarias y otras no proveen los beneficios que

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genera implementar un ángulo. Es importante determinar a qué esquinas se les puede aplicar un ángulo

y mejoraran sus características, y cuales esquinas se mantendrán en un ángulo recto, sea porque afecten

la forma deseada de la pieza o generen un resultado contrario aumentando los esfuerzos en ese lugar.

Para definir el tamaño del ángulo a aplicar en las esquinas seleccionadas para dicho fin, se

tendrá en cuenta el siguiente esquema, en el cual se puede observar la magnitud del ángulo necesario

según el espesor.

Cuadro 9. Aplicación de radio en las esquinas según su ubicación y magnitud. (Gordon, 2010)

Se implementa en el diseño la aplicación de radios en las esquinas, se seleccionan únicamente

las esquinas no visibles al estar ensambladas las fichas y aquellas que no reciben una fuerza directa, es

decir, las esquinas que van en el sentido del peso que es la mayor fuerza aplicada sobre el elemento.

Las demás esquinas que se encuentran perpendiculares a la fuerza aplicada no se deben redondear ya

que reducen el área de contacto, incrementando los esfuerzos por tener la misma fuerza en un área

menor.

Espesor uniforme de la pieza

Un espesor uniforme de la pieza minimiza los defectos de fabricación y mejora la resistencia de

la pieza, además ayuda a reducir el exceso de material y disminuir el precio, lo que conlleva a una

pieza más eficiente. En el Cuadro 11 se presenta una comparación de dos modelos en los cuales se

puede observar cómo reducir el material para obtener un espesor uniforme en toda la pieza.

Al implementar este tipo de diseño en la ficha de fabricación de viviendas, se reduce las

porosidades en las partes internas de la pieza ya que este es el volumen que más se demora en enfriar,

además se pueden generar depresiones superficiales al intentar contraerse la pieza por obtener

diferentes velocidades de enfriamiento.

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Cuadro 10. Ejemplos de cómo conseguir un espesor uniforme en las piezas. (Gordon, 2010)

Se implemento un espesor uniforme en la pieza, lo cual logro reducir el peso y garantizar un

proceso de fabricación de mayor calidad.

Espesores recomendados

Los espesores recomendados varían según el material ya que depende de las propiedades de

este, además de tener un espesor uniforme en toda la pieza, es preferible estar en un rango de espesores

para evitar defectos y mejorar la calidad de la pieza, si el espesor es muy reducido el material no puede

fluir correctamente y si el espesor es muy grande el material tendrá diferentes velocidades de

enfriamiento y un interior que tarda mucho tiempo en enfriar, generando porosidad y depresión

superficial. Para el material seleccionado se tiene el siguiente rango recomendado para el espesor.

Para el material seleccionado se recomienda un espesor entre 1 y 10 milímetros para la totalidad

de la pieza, como la pieza va a soportar grandes cargas, se implementara inicialmente el espesor

máximo, se analizaran los esfuerzos y se determinara un factor de seguridad, si la pieza posee un factor

de seguridad muy bajo se debe replantear el diseño, ya que no se puede incrementar el espesor, si se

obtiene un factor de seguridad deseado para el proyecto, se mantendrá este espesor y si el factor de

seguridad es muy alto, se reducirá el espesor para no sobredimensionar la pieza.

La estética de la superficie

Este aspecto determina que las superficies del material deben ser lisas para mejorar el flujo, en

el diseño presentado se da preferencia a las superficies lisas y no es necesario cambiar la rugosidad de

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las superficies para alguna función de la pieza, por lo tanto todas las superficies se mantienen lisas lo

que mejora el flujo del material y cumple los requerimientos funcionales de la pieza.

Al implementar y tener en cuenta todos estos aspectos del moldeo por inyección que recaen en

el diseño de la pieza, se puede garantizar que la pieza se podrá manufacturar por este método y se

lograran resultados satisfactorios con una calidad razonable, en la cual se podrán evitar en gran

proporción los defectos que se pueden generan en este proceso de manufactura.

6.2 Ajustes de fabricación

Al tener en cuenta todos los factores involucrados en el diseño de la pieza es necesario calcular los

ajustes que se deben implementar para garantizar que esta se ensamble correctamente, además se debe

analizar el ajuste deseado para lograr obtener en las piezas un ajuste que proporcione estabilidad y

sencillez en el ensamblaje. Los factores que determinan el tipo de ajuste que se va a realizar son:

Cargas constrictivas: Para permitirle a la pieza expandirse al estar presente a cambios de

temperatura en el lugar de operación.

Ajuste de diseño: Es el que proporciona el ajuste deseado para la aplicación.

Tolerancias de fabricación: Es el factor que determina la calidad del ajuste que se puede lograr

según el método de manufactura que se utilice.

A continuación se presentan los resultados obtenidos para cada una de las partes involucradas

en el ajuste.

Cargas constrictivas

Se analizan los resultados obtenidos en los requerimientos y se determina que la pieza debe

reducir las siguientes dimensiones:

El largo de la pieza debe disminuir su longitud total 0.18 mm a cada lado.

Las longitudes superiores del ensamble con magnitud de 40 mm se deben reducir 0.02 mm a

cada lado.

Las longitudes de ajuste en la parte inferior de la pieza con magnitud de 130 mm se deben

reducir 0.07 mm a cada lado.

Las longitudes de ajuste en la parte inferior de la pieza con magnitud de 65 mm se deben

reducir 0.045 mm en su lado interno, ya que el otro lado es parte de la superficie externa ya

reducida.

Las longitudes de ensamble en la parte superior de la pieza con magnitud de 10 mm se deben

reducir 0.005 mm en solo uno de sus lados, ya que el otro lado no genera contacto con ningún

material y puede expandirse libremente.

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Ajuste de diseño

Anteriormente se encuentra la explicación del ajuste de diseño, el cual recae en la necesidad de

facilitar el ensamble y generar un ensamble de precisión, los resultados obtenidos de este ajuste son:

La longitud del ensamble con magnitud de 40 mm debe reducirse en 0.018 mm.

Las demás magnitudes pertenecientes al ajuste deben mantenerse sin reducción.

Tolerancias de fabricación

Las tolerancias que se pueden conseguir en el método de moldeo por inyección son las

siguientes:

Para la dimensión del ajuste con magnitud de 40 mm la tolerancia es de 0.02 mm.

Para la longitud total de la pieza la tolerancia es de 0.0762 mm.

Para la dimensión del ajuste inferior con magnitud de 130 mm la tolerancia es de 0.065 mm.

Para la dimensión del ajuste inferior con magnitud de 65 mm la tolerancia es de 0.0325 mm.

Para la dimensión superior de la pieza con magnitud de 10 mm la tolerancia es de 0.0127 mm.

Al tener en cuenta todos los aspectos anteriores se decide realizar los siguientes ajustes a la

pieza, para garantizar en mayor proporción los requerimientos involucrados en el ensamble.

Para la longitud de la pieza se reducirá su magnitud en 0.1 mm a cada lado, y se compensara en

el interior de la pieza para mantener un espesor de pared uniforme, se realizara este

procedimiento de igual manera en los laterales de la pieza para garantizar el correcto ensamble

transversal, y un espesor de pared uniforme.

La dimensión superior de la pieza con magnitud de 10 mm no se considera necesario reducirla,

por lo tanto permanecerá igual.

La dimensión inferior con magnitud de 65 mm se mantendrá constante, ya que al reducir la

longitud total, esta se reduce en 0.1 mm lo cual le permitiría expandirse libremente.

La dimensión inferior con magnitud de 130 mm se mantendrá constante y se reducirá lo

necesario en la parte superior del ensamble.

La dimensión superior con magnitud de 40 mm se reducirá en cada uno de sus lados 0.05 mm.

Las consideraciones anteriores se concluyeron analizando los requerimientos para los ajustes de

la pieza, en estos se tuvieron en cuenta el tipo de ajuste que se desea, el tipo de ajuste que se puede

lograr y el tipo de ajuste que minimiza cargas constrictivas. Al realizar estos cambios en el diseño se

garantiza que la pieza se ensamblara correctamente y podrá expandirse por los diferentes cambios de

temperatura sin generar esfuerzos considerables.

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6.3 Prototipos

Se construyeron tres prototipos del diseño final de la pieza, incluyendo todas las

consideraciones presentadas anteriormente. Los prototipos presentan las siguientes características:

Masa: 0.35 Kg

Peso: 3.43 N

Material: ABS

Escala: 1:2

Tiempo de fabricación de cada prototipo: 33 horas

Material de modelado por cada prototipo:

Material de soporte por cada prototipo:

Resolución de la máquina: 0.25 mm

La fabricación de los prototipos necesito únicamente el archivo digital de la pieza y supervisión

constante, al extraer el prototipo se debe retirar el material de soporte luego de enfriarse la pieza, las

medidas exactas del diseño se obtienen con la pieza a temperatura ambiente, a continuación se puede

observar el proceso de creación de los prototipos.

Figuras 26, 27 y 28. Proceso de creación de los prototipos.

Al finalizar cada prototipo se dejo enfriar exponiéndolo directamente a la temperatura ambiente,

posteriormente a dos de ellos se les retiro el molde. A continuación se presentan las imágenes de los

prototipos terminados.

Figuras 29, 30 y 31. Prototipos terminados.

Con los tres prototipos finalizados se procedió a realizar los ensambles correspondientes. A

continuación se presentan las imágenes de los ensambles de los tres prototipos.

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Figuras 32 y 33. Ensambles de los prototipos.

Al lograr ensamblar los tres prototipos de todas las formas posibles, se verifico que la geometría

esta correctamente diseñada y el ajuste que se determino provee una facilidad para ensamblarlos con

una ligera presión, por otro lado al estar ensambladas las piezas, estas no se pueden mover libremente

entre ellas, por lo tanto el ajuste es preciso y suave.

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7 Diseño final

El diseño final es la recopilación de todos los aspectos involucrados desde el contexto hasta la

fabricación, en este diseño se puede observar cómo se satisface cada requerimiento y como se

involucraron las características de manufactura. A continuación se presentan las imágenes del diseño

final.

Figuras 34 y 35. Diseño final de la ficha, vistas isométricas superior e inferior.

El diseño final es capaz de cumplir todos los requerimientos propuestos anteriormente, para

validar los requerimientos de cargas se realizaron simulaciones sobre todos los diseños y se aplicaron

las cargas supuestas que influyen en el comportamiento de la ficha, a continuación se presentan las

imágenes obtenidas de la simulación realizada al diseño final, con el fin de verificar que este diseño

está en la facultad de soportar satisfactoriamente las cargas que puede sufrir una vivienda en cualquier

lugar del territorio colombiano.

Figura 36. Esfuerzos de Von Mises sobre el diseño final.

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De la simulación anterior realizada a la pieza final se puede verificar que los esfuerzos se

distribuyen sobre toda la pieza, además es posible identificar que el esfuerzo máximo es de 3.0945

MPa, el cual es admisible para la pieza, por lo tanto el diseño final se comportara adecuadamente si se

aplican las fuerzas máximas que los muros de una vivienda debe soportar al estar en su estado crítico

de operación. Este esfuerzo máximo se puede comparar con el esfuerzo de fluencia del material para

obtener el factor de seguridad de la pieza. A continuación se va a calcular el desplazamiento máximo

sobre el diseño final, con el fin de verificar como se va a comportar las dimensiones de la pieza al

aplicar las cargas críticas de operación.

Figura 37. Desplazamiento máximo sobre el diseño final.

En la simulación anterior se puede observar la forma que va a adquirir la ficha luego de aplicar

el máximo de cargas supuesto, y el desplazamiento que va a tener cada punto con relación a los demás,

en este caso se puede observar que la parte superior de la ficha va a tener un desplazamiento máximo

de 0.18442 mm, el cual es mínimo y no afecta el correcto funcionamiento de la ficha. A continuación

se va a presentar la simulación del factor de seguridad para el diseño final.

Figura 38. Factor de seguridad sobre el diseño final.

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El factor de seguridad indica una comparación del esfuerzo máximo soportado contra el

esfuerzo de fluencia del material, si este factor es inferior a 1 el diseño fallara ya que el material no está

en capacidad de soportar el esfuerzo aplicado, si el factor de seguridad es 1 significa que las cargas

aplicada generan un esfuerzo en el material igual al que es capaz de soportar y si el factor de seguridad

es mayor que 1 significa que el diseño está en capacidad de soportar las fuerzas correctamente. Sin

embargo es importante definir que factor de seguridad se desea, en este caso la ficha presenta un factor

de seguridad de 15, el cual define que el elemento está en capacidad de soportar 15 veces la carga

máxima sin fallar. Este factor de seguridad se considero apropiado para el diseño, ya que algunas

variables pueden alterar el comportamiento de la ficha y finalmente aumentar sus esfuerzos. Este factor

es una medida preventiva para garantizar que la pieza soportara las cargas indicadas correctamente y

unas cargas superiores en casos extremos de operación no considerados.

Al cumplir los requerimientos de cargas y saber que el material es capaz de soportar los

requerimientos ambientales, es necesario analizar en que rango se cumplieron los requerimientos

funcionales, para esto se realizo la tabla siguiente:

Requerimiento Diseño final

Ensamblable En cualquier posición de ajuste

Restricción en el eje Y Completamente

Restricción en el eje X Completamente

Restricción en el eje Z Completamente

Restricción con piezas laterales No se restringe

Tuberías verticales Eléctricas y sanitarias sin restricción

Tuberías horizontales Eléctricas flexibles hasta 1 pulgada de diámetro

Estanqueidad Sobre toda la superficie superior

Posibilidad de construcción transversal De cualquier manera

Posibilidad de construcciones triples No es posible

Superficies externas lisas Completamente

Conexión entre niveles de piezas En cualquier dirección

Restricción de diseño Por el espesor y la altura de la pieza

Posibilidad de perforación Cuadro hasta 110 mm de lado Tabla 11. Requerimientos funcionales en el diseño final.

En la Tabla 11 se pueden observar el cumplimiento de los requerimientos funcionales en el

diseño final, sin embargo el requerimiento de posibilidad de perforación no se ha validado, por lo que

se realizaron simulaciones para determinar dos posibilidades, que se perforara la pieza en un pequeño

agujero lateral y allí se soportara el máximo de carga estática concentrada encontrado anteriormente, o

se perforara un hueco cuadrado de 110 mm de lado y se aplicaran las cargas máximas. Este segundo

caso presento un comportamiento más crítico, por lo tanto se expone únicamente los resultados para

este caso.

En primer lugar se van a aplicar las cargas críticas al diseño, y posteriormente se va a verificar

el esfuerzo máximo que soporta esta pieza con las modificaciones realizadas, para este caso el esfuerzo

se incremento notablemente como se puede observar en la Figura 38, el valor obtenido es de 8.0767

Page 65: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

Página 65 de 72

MPa y su lugar se enfoca en el agujero, sin embargo la pieza está en capacidad de soportar estos

esfuerzos sin problema.

Figuras 39 y 40. Cargas aplicadas y esfuerzos de Von Mises para el diseño final perforado.

A continuación se van a presentar las simulaciones obtenidas para la pieza final modificada en

cuanto al desplazamiento máximo y el factor de seguridad, con el fin de determinar si la pieza está en

capacidad de sufrir modificaciones y seguir funcionando correctamente.

Figuras 41 y 42. Desplazamiento máximo y factor de seguridad para el diseño final perforado.

De los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas al diseño final modificado se puede

observar que los esfuerzos aumentaron, disminuyendo el factor de seguridad, pero estando aun en

capacidad de funcionar correctamente soportando el estado crítico de cargas.

Luego de analizar el diseño final y determinar que los requerimientos de cargas, ambientales,

funcionales y de manufactura se cumplen, se puede validar el diseño final y presentarlo como una

solución viable para la construcción de viviendas modulares de un piso en cualquier lugar del territorio

colombiano.

Page 66: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

Página 66 de 72

8 Construcción de viviendas

Predecir cómo puede ser la fabricación de una vivienda con el uso de estas fichas va enfocado a

determinar el número de fichas necesarias para realizar una casa, determinar que fases del proyecto se

pueden continuar después de desarrollar el diseño de la ficha modular, determinar que otros elementos

es necesario analizar y construir para fabricar una casa correctamente, y comparar la construcción

convencional con los resultados obtenidos del proyecto. En primer lugar se va a presentar un estimativo

de las fichas estándar necesarias para construir el perímetro de una casa según su área habitable, con el

fin de conocer la proporción de fichas para construir diferentes áreas. Con el uso de la siguiente

ecuación se pueden determinar la cantidad de fichas necesarias para construir una casa.

Al determinar la cantidad de fichas necesarias para una vivienda se puede presentar una

comparación para diferentes áreas habitables de la vivienda, en la tabla siguiente se puede observar el

numero de fichas necesarias según el área habitable.

Área de la vivienda Número de fichas

25 682

30 748

35 792

40 858

45 902

50 946 Tabla 12. Cantidad de fichas necesarias según el área de la vivienda.

Este estimativo de la cantidad de fichas que se necesitan para conformar una vivienda es una

predicción, ya que no se conoce el diseño de la vivienda y la cantidad de puertas y ventanas que van a

tener, sin embargo sirve como un estimativo de la cantidad que se puede necesitar según el incremento

en el área deseada.

Por otro lado hay que tener en cuenta que la construcción de una vivienda no se puede realizar

únicamente con estas fichas, es necesario construir otro tipo de piezas para ensamblar en algunos casos,

por ejemplo se necesitan piezas de un modulo para las terminaciones del muro contra las ventanas y

puertas, y se necesita piezas de mayor longitud para ubicar en la parte superior de las ventanas y

puertas. Los cimientos es otra parte esencial del proyecto ya que ayuda a la estabilidad de la casa, es

necesario analizar los cimientos para que la pieza pueda funcionar correctamente y se minimicen las

cargas sísmicas al facilitar el movimiento de la vivienda.

Posterior a este proyecto se puede analizar los otros elementos que conforman los muros,

analizar el material real del que se van a construir las piezas, determinar cómo van a ser los cimientos y

determinar los elementos que van a conformar el techo de la vivienda, en este caso se realizaron varios

supuestos para el techo pero no se determino ningún elemento significativo ni la conexión que va a

tener el techo con las fichas, por ultimo un aspecto importante para la continuación del proyecto es que

Page 67: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

Página 67 de 72

se debe tener en cuenta el tipo de ensamble de la pieza para los demás elementos e intentar mantener

una simetría entre todos los elementos fabricados para la vivienda, con el fin de construir una vivienda

cómoda y segura.

En este proyecto se puede encontrar un inicio para la construcción modular de viviendas, no es

posible realizar una comparación de una vivienda convencional contra una vivienda creada en este

proyecto ya que todavía es necesario realizar muchos más elementos necesarios para construir una

casa. Por otro lado si es posible realizar una comparación de la ficha creada en este proyecto, con un

ladrillo similar utilizado para la misma aplicación, con el fin de verificar que los objetivos se están

cumpliendo, y demostrar que el uso de estas fichas puede resultar en una solución para los problemas

presentados por la construcción convencional. En la Tabla 13 se puede observar un cuadro comparativo

entre un ladrillo convencional y la ficha desarrollada en este proyecto.

Elemento Ladrillo Portante Ficha de construcción

Imagen

Dimensiones 18 X 19 X 33 17 X 20 X 34

Peso 7,5 Kg 3,74 Kg

Desperdicios 29,90% 0%

Ensamble Cemento Autoajustable

Tiempo de

construcción 1 Mes 5 Días

Tabla 13. Comparación características principales entre ladrillo y ficha. (Andersen, 2014)

La ficha de construcción realizada en este proyecto tiene la mitad del peso de un ladrillo de

dimensiones similares, es una pieza que se facilita mas para la aplicación al ser totalmente hueca y

poder sufrir cualquier modificación en sus paredes para hacerla más flexible a la aplicación que se

desee. El material es completamente reciclable, con un buen uso no se generaran desperdicios, en

comparación con los desperdicios en la construcción con ladrillos cercanos al 30%, este método resulta

más ecológico y rentable. La forma de construcción modular no aplica ningún material para conectar

las piezas lo que facilita y agiliza su ensamble, mientras que la construcción convencional tarda mucho

tiempo y necesita cemento para conectar los ladrillos.

Por otro lado todas las características de la pieza ayudan a realizar la construcción de viviendas

mucho más rápido, lo que generaría una disminución en el precio de la vivienda, disminución en los

desperdicios y mejoras en la calidad de vida, por consiguiente esta ficha lograría proveer un mayor

número de viviendas para la población colombiana.

Page 68: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

Página 68 de 72

9 Conclusiones

Se logro diseñar y construir una ficha estándar para la fabricación de viviendas de un piso en

todo el territorio colombiano, la cual tiene la facultad de unirse con otras fichas similares para

formar los muros de una vivienda.

El déficit de vivienda en Colombia es muy alto, lo que se debe en parte al sistema convencional

utilizado, el cual se caracteriza por generar desperdicios, altas demoras en la construcción y

tener precios elevados. Con la solución presentada para un nuevo método de construir

viviendas, se tiene posibilidad de reducir las demoras en la construcción, los precios y los

desperdicios, lo que puede generar una disminución en el déficit de vivienda en Colombia y

poder generar un bienestar a la sociedad colombiana al proveer un mayor número de viviendas

de interés social.

Se logro definir y/o calcular todos los requerimientos de cargas, ambientales y funcionales

necesarios para el correcto funcionamiento de la ficha. Se logro identificar el material más

apropiado para la fabricación de la ficha y para el prototipo. Se logro diseñar una ficha que

cumpla todos los requerimientos y sea manufacturable por el método de moldeo por inyección.

Se construyeron tres prototipos del diseño final, en el cual se logro validar el correcto ensamble

de las piezas.

Se logro definir un proyecto de ingeniería mecánica en los cuales se involucraron los objetivos,

las restricciones y los requerimientos, además se logro dar una solución al problemas planteado

con el uso de las herramientas de la ingeniería mecánica en el cual se utilizaron diferentes

recursos y se tomaron decisiones propias con el fin de culminar el proyecto satisfactoriamente.

Page 69: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

Página 69 de 72

10 Bibliografía

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Gordon, M. Joseph. (2010) Total Quality process control for injection molding. Segunda

edición. Editorial Wiley.

Programas

Autodesk Inventor 2014.

Autodesk Simulation Mechanicals 2014.

Microsoft Office Word 2007.

Microsoft Office Excel 2007.

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NSR 10. (2010) Reglamento Colombiano de construcción sismo resistente. Enero del 2010.

Cuadros

Cuadro 1: Creado por el autor con el programa Microsoft Office Word 2007 y el uso de

imágenes obtenidas de: Construcción sostenible granadablogs.com, Reducir los desperdicios

es.dreamstime.com, Reducir el déficit www.elobservadoreconomico.com, Reducir los costos

laempresas.blogspot.com, Reducir el tiempo www.todosobrelaansiedad.com

Cuadros 2 al 4: Creados por el autor con el programa Microsoft Office Word 2007.

Cuadro 5: (Budynas, 2012)

Cuadros 6 al 8: Creados por el autor con el programa Microsoft Office Word 2007.

Cuadros 9 y 10: (Gordon, 2010)

Tablas

Tabla 1: (NSR 10, 2010)

Tabla 2: (Koyo, 2014)

Tabla 3 al 8: (Ideam, 2010)

Tabla 9: (Gordon, 2010)

Tablas 10 y 11: Creadas por el autor con el programa Microsoft Office Excel 2007.

Figuras

Figuras 1 y 2: (Ecomat, 2010)

Figuras 3 y 4: (Ceros, 2012)

Figuras 5 y 6: (Brickarp, 2010)

Figuras 7 y 8: (Woodpecker, 2010)

Figura 9 a 12: Creadas por el autor con el programa Microsoft Office Word 2007.

Figuras 13 a 25: Creadas por el autor con el programa Autodesk Inventor 2014.

Figuras 26 a 33: Fotografías tomadas por el autor.

Figuras 34 y 35: Creadas por el autor con el programa Autodesk Inventor 2014.

Figuras 36 a 42: Creadas por el autor con el programa Autodesk Simulation Mechanicals 2014.

Page 72: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

Página 72 de 72

Anexos

1. Cuadro de materiales

2. Proceso de diseño

3. Plano de la ficha

Page 73: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

Material ABS PP HDPE UnidadesNombre Acrylonitrile Butadiene Styrene Polypropylene High Density Poplyethylene

Densidad 1060 934 954 [Kg/m^3]

Absorción de agua 0,409 0,0714 0,0155 [%]

Absorción de humedad 0,199 0,1 0,0233 [%]

Módulo de elasticidad 2,3 1,75 0,94 [GPa]

Conductividad térmica 0,177 0,16 0,396 [W/m-K]

Temperatura máxima de

servicio 94,4 100 95,3 [°C]

Esfuerzo máximo de tensión 43,2 32,1 26,3 [MPa]

Coeficiente de expansión

térmica 78,2 114 140 [µm/m-°C]

Construcciones similares en

Colombia.

No existen casas actualmente

creadas con este polímero.

Proyecto Ecovivienda de Ingerpol

Outdoor.

No existen casas actualmente

creadas con este polímero.

Material PEBD PS PVC UnidadesNombre Low Density Polyethylene Polystyrene Polyvinyl chloride

Densidad 921 1050 1290 [Kg/m^3]

Absorción de agua 0,01 0,0912 0,26 [%]

Absorción de humedad 0,01 0,1 0,04 [%]

Módulo de elasticidad 0,23 2,71 2,5 [GPa]

Conductividad térmica 0,33 0,17 0,15 [W/m-K]

Temperatura máxima de

servicio 90 95 72,1 [°C]

Esfuerzo máximo de tensión 11,6 33,1 40,1 [MPa]

Coeficiente de expansión

térmica 218 76,9 55,4 [µm/m-°C]

Construcciones similares en

Colombia.

No existen casas actualmente

creadas con este polímero.

Casas de la compañía Constructora

Colombiana de Poliestireno S.A.S.

Casas de un concesionario de la

compañía ROYALCO S.A.

Page 74: Diseño y fabricación de una ficha estándar para

Diseño número 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Tipo de diseño Estándar Estándar extendidaEstándar con

agujerosEstándar completa Simple Simple extendida Compleja

Compleja

extendidaDesarrollada

Desarrollada

extendida

Desarrollada

extendida

conexiones

internas

Desarrollada de

tres etapas

Desarrollada de

tres etapas

extendida

Desarrollada total Simplificada Final

Imagen Superficie

superior

Imagen Superficie

inferior

Restricción eje Y Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso Por peso

Restricción eje X Media Media Media Media Baja Baja Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta

Restricción eje Z Media Media Media Media Nula Nula Media Media Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta Alta

Conexión con piezas

lateralesNo Si Si Si No Si Si Si No Si Si No Si Si No No

Tuberías eléctricas

verticalesNo No Si Si No Si No Si No Si Si Si Si Si Si Si

Tuberías eléctricas

horizontalesNo No No Si No Si No Si No No Si No No Si Si Si

Estanqueidad Nula Nula Nula Nula Media Alta Media Alta Media Alta Alta Media Alta Alta Alta Alta

Posibilidad de

construcción

trasversal

Si Si Si Si No No No No Si Si Si Si Si Si Si Si

Posibilidad de

construcciones triples

No No No No No No No No No No No Si Si No No No

Superficies externas

lisasSi No No No Si Si Si Si Si No No Si No No Si Si

Restricción de diseñoDimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza mayores y

posibilidad de

conexiones

Dimensiones de la

pieza mayores y

posibilidad de

conexiones

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Dimensiones de la

pieza

Necesidad de piezas

esquinerasNo No No No Si Si Si Si No No Si No No No No No

Necesidad de piezas

largasSi Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

Necesidad de piezas

triplesSi Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si No No Si Si Si

Conexión entre pisos

de piezasNormal

Cambio de

dirección

Cambio de

dirección

Cambio de

direcciónNormal Normal Normal Normal Normal

Cambio de

dirección

Cambio de

direcciónNormal

Cambio de

dirección

Cambio de

direcciónNormal Normal

Eje de referencia

*Todas las piezas son creadas del mismo material en su totalidad. Material: Dimensiones: X 340 mm X total 345 mm

**La pieza seleccionada al igual que las demás piezas tienen las mismas dimensiones principales, las piezas de tres etapas aumentan su longitud al triple del espesor. Y 200 mm Y total 230 mm

***El color de las piezas no es el del material de la misma, es un color seleccionado únicamente para que se puedan apreciar mejor los detalles. Z 170 mm

****Todos los diseños requieren piezas de un módulo

La pieza seleccionada soportara satisfactoriamente el peso

que se encontrará sobre ella, se supone un peso total de

1151 N y la pieza presenta un esfuerzo máximo de 3,095

MPa.

Análisis de Tensión de Von Misses

El desplazamiento que se espera tener en la pieza debe ser

mínimo, luego de aplicar el peso máximo que tendrá la

pieza de la parte inferior del muro, el punto de la pieza que

más se desplaza presenta un desplazamiento de 0.1844

mm.

Análisis de desplazamiento máximo

(PVC)

Restricción de diseño:

Posibilidad de crear diferentes

longitudes de muro y areas de

habitaciones, se restringe por el

espesor de la pieza y por la forma de

conectarlas entre sí.

COMPARACIÓN DE DISEÑOS

Estanqueidad:

No permitir el paso de agua de un lado

a otro en los límites con otras piezas,

principalmente se genera por sus

diferentes niveles en la parte superior.

Imagen ampliada pieza seleccionada superficie superior Imagen ampliada pieza seleccionada superficie inferior Análisis de Tensión de Von Mises Análisis de desplazamiento máximo

Pieza triple 1 Pieza triple 2Pieza largaPieza de un módulo Pieza esquinera 1 Pieza esquinera 2

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1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

A A

B B

C C

D D

E E

F F

Universidad de los Andes

Título

Ficha estándar

Autor

Escala

1:2

David Gonzalez Rodriguez

Tolerancias

± 0.1 mm

± 0.1 °

Tamaño

A2

Tercer cuadrante

Profesor Asesor

Todas las dimensiones

en mm y grados

Jorge Albeto Medina, PhD

Peso

Material

PVC

3.74 Kg

Fecha

Junio 2014

Lugar

Bogotá

Colombia

Proyecto de grado

Vistas Isométricas

Escala 1:3

10.00

19.90

29.90

64.95

74.90

94.90

10.00

19.90

29.90

64.95

104.85

74.90

94.90

104.85

35.05

45.05

55.05

35.05

45.05

55.05

60.05

60.05

339.80

169.90

29.90

44.90

64.95

74.90

169.80

10.00

19.90

10.00

19.90

74.90

64.95

44.90

29.90

R15.00

R5.00

R19.95

20.00

R5.00

R5.00

R5.00 R5.00

10.00

19.90

10.00

19.90

64.90

64.90

169.80

74.90

74.90

R2.00

10.00

20.00

230.00

190.00

200.00

210.00

10.00

19.90

64.90

10.00

19.90

74.90

74.90

339.80

94.90

104.90

64.90

94.90

104.90

45.05

45.05

R2.00

230.00

20.00

190.00

200.00