diseño y fabricación de una ficha estándar para
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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.
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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)
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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)
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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10 Bibliografía
Libros Guía
Merrit, Frederick S. y Ricketts, Jhonathan T. (1997) Manual integral para diseño y
construcción. Quinta edición Tomo 1. Editorial Mc Grawhill.
Budynas, Richard G. y Nisbett, J. Keith. (2012) Diseño en ingeniería mecánica de Shigley.
Novena edición. Editorial Mc Graw Hill.
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.
Otras referencias
Romero, Emilio. (2006) Residuos de construcción y demolición. Master ingeniería ambiental
2006-07. Recuperado el 7 de Junio del 2014 de http://www.uhu.es/
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ECOMAC tarda sólo 26 días promedio en construcción de una vivienda en su nuevo proyecto.
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Sexta Edición. Editorial McGraw-Hill Higher Education.
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Recuperado el 9 de Junio del 2014 de http://www.plastico.com/
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materiales. Recuperado el 9 de Junio del 2014 de http://www.matweb.com
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10. Recuperado el 14 de Junio del 2014 de http://blog.utp.edu.co/
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integral Marzo – Abril 2009. Recuperado el 14 de Junio del 2014 de
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Andersen. (2014) Materiales para construcción- Ladrillos. Recuperado el 14 de Junio del 2014
de http://www.andersenmateriales.com.ar/
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.
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Anexos
1. Cuadro de materiales
2. Proceso de diseño
3. Plano de la ficha
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.
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
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