Evaluación experimental y simulación del

comportamiento mecánico y térmico de

elementos prefabricados de hormigón

Carlos Javier Marín-Abondano y Andrés Felipe Gañan-Velarde

Trabajo para optar al título de Ingeniero Civil Universidad

Cooperativa de Colombia, Facultad de Ingeniería Medellín

Antioquia, Colombia

Septiembre-2020

Oscar Felipe Arbeláez-Pérez - Asesor Técnico

Víctor Hugo Aristizábal-Tique - Asesor Metodológico

Resumen: El producto de la investigación “evaluación experimental y simulación del

comportamiento mecánico y térmico de elementos prefabricados de hormigón”, realizada

durante 2019 y 2020 en la ciudad de Medellín, capital del departamento de Antioquia, surge

a raíz de que en Colombia las viviendas prefabricas no tienen una metodología de fabricación

que garantice que sean sismorresistente. Existe un reglamento sísmico que permite el uso de

elementos parciales o totalmente prefabricado. Para un sistema de resistencia sísmica,

siempre y cuando cumpla con uno de los dos procedimientos; utilizar los criterios de diseño

sísmico que se presenta en la NRS-10 “A.3.1.7” o tener la autorización de la Comisión

Asesora Permanente para el Régimen de Construcción Sismo Resistente de acuerdo a lo

establecido en el “Articulo 14 de la Ley 400 de 1997”. La elaboración de este tipo de

viviendas es conveniente porque son más económicas, se realizan con mayor facilidad y

rapidez que las construcciones tradicionales. En base a lo mencionado anteriormente se

enfatiza la investigación acerca de las viviendas prefabricadas haciendo mayor énfasis en los

paneles para la óptima y precisa elaboración en la industria y sociedad, esto implica

comprender y caracterizar los materiales utilizados, para crear la metodología de diseño del

concreto liviano, mediante simulación y ensayos experimentales, esto está ligado a pruebas

de resistencia a la compresión, aislamiento térmico, entre otros.

Con este proyecto se busca generar la modificación de prácticas de elaboración del

producto para impactar a la sociedad e industria de fabricación de viviendas prefabricadas

en Medellín.

Palabras clave: Concreto Liviano, Conductividad Térmica, Panel Prefabricado, Panel

Portante, Propiedades Mecánicas y Térmicas, Diseño de Mortero.

1. INTRODUCCIÓN

Dado el rápido aumento poblacional, la necesidad del mejoramiento de la calidad de las

viviendas construidas y la migración de las masas rurales a la ciudad por acontecimientos

sociales, desastres naturales y el desarrollo de proyectos de vivienda, entre otras, se

convierte en un desafío para la industria de la construcción en el país [1]. No es fácil

responder a este desafío cuando se emplea el proceso tradicional, principalmente por la

lentitud en los procedimientos de construcción, por tanto, se requieren sistemas

constructivos que permitan optimizar el uso de recursos y mano de obra, además de disminuir

los tiempos de producción y montaje [1]. Dentro de los procesos de construcción

industrializada, la prefabricación, se convierte en una opción técnica y económicamente

viable para reducir los costos, el tiempo de construcción, la energía y los impactos

ambientales de las metodologías tradicionales. La prefabricación se basa en la producción

y el pre-montaje de componentes, elementos, paneles o módulos en planta antes del

ensamblaje en la ubicación final de la casa [2]. Países como Colombia tienen una alta

necesidad de construir viviendas que cuenten con la protección contra el agua y aislamiento

térmico para el confort, bienestar y salud de las personas [3]. La construcción prefabricada

es una buena opción de obtener vivienda de forma rápida, segura y a precios justos,

especialmente, en el caso de lugares remotos de difícil acceso donde esta forma de

construcción es la única manera viable de obtener una vivienda digna [3]. En Colombia, el

sector de la construcción de las estructuras prefabricadas, ha venido presentando un

incremento del 167% en los últimos años [4], la creciente demanda de estructuras

prefabricadas, ha impulsado el desarrollo de nuevas materias primas, especialmente

aquellas que conforman el concreto tradicional (agua, cemento y agregados) [2].

Las construcciones prefabricadas consisten en el diseño de una estructura de elementos

fabricados como por ejemplo los paneles o muros, donde las operaciones en obra son

esencialmente de montaje y no de elaboración de los paneles [5]. Los paneles de concreto

se producen en planta utilizando agregados livianos naturales (perlita, diatomita, o piedra

pómez) o artificiales (arcilla expandida o cenizas volantes), las propiedades de los paneles

están influenciadas por el tipo de agregado, la cantidad de aglutinante y el uso de aditivos,

[6]. Los paneles se construyen a partir de concretos livianos, con densidades entre 1120

Kg/m3 y 1920 Kg/m3 (American Concrete Institute 213) [7] y resistencias a la compresión

por debajo de 15 MPa, para obtener resistencias cercanas a los concretos estructurales (21

MPa), se requiere el uso de aditivos plastificantes, que en muchas ocasiones, incrementan

los costos de elaboración por encima del 5% con respecto al material tradicional [6].

En las viviendas prefabricadas existen diferentes tipos de paneles que cuentan con

características muy particulares como paneles resistentes o portantes, los cuales se encargan

de resistir y transferir las cargas verticales de la estructura. También se encuentran los paneles

no resistentes o auto-portantes que resisten únicamente la fuerza del viento, la nieve y el

cambio de clima, dándole firmeza a la estructura. Estos paneles solo favorecen a la función

envolvente. Otro tipo de paneles muy usados actualmente son los paneles tipo sándwich

debido a que están conformados por placas de unión rígida y se encuentra un recubrimiento

que ayuda para el aislamiento térmico [8]. La elaboración de paneles de concreto, permite

tener un mejor control técnico sobre la producción del concreto, menos juntas en la

construcción de las viviendas prefabricadas, facilidad de instalación, menor empleo de mano

de obra durante el proceso de fabricación, mayor precisión en la elaboración de especímenes,

adicionalmente, se reduce el uso de andamios y encofrados, así mismo los productos

(paneles) suelen ser ligeros, fáciles de construir, y económicamente viables en

términos de productividad, costos y sostenibilidad ambiental [1].

La problemática de la elaboración de paneles de concreto para viviendas prefabricadas en

Colombia se debe a la falta de una guía establecida por una norma [9]. De hecho, algunas

empresas del sector de la construcción, no tiene claramente estandarizadas, ni definidas las

dosificaciones de los materiales requeridos para la elaboración de sus paneles, llegando en

algunos casos a consumir mayores recursos de los que realmente se necesitan. Además,

quienes tienen las formulaciones, no están dispuestos a compartirlos con sus competidores.

Por otro lado, muchas de las empresas, dedicadas a la elaboración de paneles de concreto

liviano, que se caracterizan por ser pequeñas y medianas empresas (PYMES) en su

mayoría, no cuentan con los recursos y las metodologías necesarias para garantizar los

requerimientos mínimos que deben cumplir los materiales elaborados antes de ser

empleados en la elaboración de edificaciones, requiriendo en la mayoría de los casos, una

metodología adecuada que permita la evaluación de las propiedades físicas, mecánicas y

térmicas de los paneles elaborados, con el fin de aceptarlo o no como elemento de

construcción.

El elevado consumo de energía de las estructuras habitacionales (edificios, unidades

comerciales y residenciales), ha sido una problemática que ha despertado el interés de la

comunidad científica, por responder a la mitigación del cambio climático, sin embargo, esas

estructuras continúan siendo diseñadas y operadas de manera ineficiente [10]. Generar

sistemas constructivos de alta eficiencia energética es una de las claves para la transición a

estructuras sostenibles y un futuro con bajas emisiones de gases de efecto invernadero.

La simulación establece equivalencias entre el proceso real y el proceso experimental para

realizar una investigación de una manera sencilla y rápida, en este caso el sistema

implementado para la investigación es el programa (Comsol Multiphysics 5.0) [11].

En teoría la simulación es un medio que experimenta con modelos detallados de un sistema

real para analizar los cambios que este puede tener de acuerdo al entorno. La simulación

pretende imitar el comportamiento del sistema real, basando la investigación en un

conjunto de hipótesis con la construcción de modelos [11].

Para la simulación térmica el modelo de transferencia de calor utilizada fue la conducción

en estado estacionario del cual la potencia térmica transmitida depende del coeficiente de

conductividad térmica de la naturaleza del material y de una variación de temperatura [11].

En la simulación mecánica se trabajo con los esfuerzos de Von-Mises que permite conocer

los esfuerzos resultantes según las cargas que están sometidos los paneles, es una magnitud

proporcional a la energía de distorsión [11].

Dada la falta de normatividad en las empresas dedicadas a la elaboración de viviendas

prefabricadas, la ausencia de una metodología que cumpla los requerimientos estructurales

y térmicos necesarios y los pocos reportes sobre modelos computacionales que permiten

predecir ambas propiedades, se requieren estudios permitan abordar una importante brecha

de conocimiento. El propósito del trabajo es evaluar las propiedades mecánicas y térmicas

de los elementos prefabricados de hormigón de forma experimental y computacional. Se

presentan los resultados de la caracterización de los materiales utilizados por una empresa

comercial de viviendas prefabricadas en la elaboración de paneles de vivienda, así como las

propiedades físicas y mecánicas del proceso tradicional llevado a cabo por la empresa y se

comparan con la metodología NTC 550. Los resultados de la simulación del

comportamiento térmico y mecánico de paneles que se emplean en viviendas prefabricadas,

también son presentados. Se espera que la modificación de la dosificación y de la

metodología de preparación de los paneles prefabricados permita mejorar las propiedades

mecánicas y térmicas de los elementos usados en la construcción de viviendas prefabricas.

2 MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 Caracterización de los materiales

Las mezclas se prepararon con Holcim ART (Alta Resistencia Temprana) de uso

general de ata resistencia temprana y con agua del acueducto. La caracterización de los

agregados se realizó de acuerdo a las especificaciones de la norma técnica colombiana, tal

como se describe a continuación: Para los agregados se determinó la masa unitaria

compacta y suelta NTC 92, la densidad aparente del agregado fino NTC 23, la densidad

aparente del agregado grueso NTC 176 y el análisis granulométrico de los agregados NTC

77.

2.2 Diseño de la mezcla

El diseño de la mezcla a trabajar se realizó acorde a la metodología utilizada en una

empresa de viviendas prefabricadas en Antioquia – Colombia.

2.3 Elaboración de mezclas de concreto

Las mezclas se prepararon tal como lo describe Valencia y colaboradores [12], la cual

se describe a continuación; el agregado grueso se humedeció hasta la condición SSS

(Saturado Superficialmente Seco) y se pesó la cantidad requerida en una balanza de

precisión. Previo a la preparación de las mezclas, la concertadora se humedeció, y en ella,

se mezclaron por tres minutos los agregados hasta obtener una mezcla uniforme.

Posteriormente, se agregó el 75% del agua y el cemento, se mezcló durante 3 minutos,

hasta obtener una pasta cohesiva y fluida. Por último, se agregó el 25% de agua restante y

se mezcló por 4 minutos más. Las propiedades del concreto fresco se evaluaron en términos

del asentamiento tal como lo describe la norma técnica colombiana NTC 396.

2.4 Elaboración de cilindros de concreto

Los cilindros se prepararon tal como lo describe la norma técnica colombiana NTC 550,

se elaboraron 2 especímenes cilíndricos de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura. Antes

de la preparación de los especímenes cilíndricos, el interior de los moldes se recubrió con una

capa fina de desmoldaste, para prevenir la adherencia del concreto. Los moldes se llenaron

en tres capas y se utilizó una varilla (1.6 cm de diámetro) para compactar la mezcla

con 25 golpes uniformemente distribuidos en toda la superficie. Posteriormente, se utilizó un

martillo de goma para eliminar las burbujas de aire de cada una de las capas (15 golpes por

cada capa). Por último, se utilizó la misma varilla para enrasar la última capa. Para mantener

la humedad de los especímenes, se utilizaron láminas de polietileno para cubrir la superficie

de los especímenes preparados de concreto.

2.5 Curado de los especímenes cilíndricos

Pasadas 24 horas, se retiraron los moldes y se utilizó una solución de óxido de calcio

(3g/L), para sumergir completamente los especímenes de concreto durante 28 días (a

temperatura ambiente), una temperatura de 23 °C ± 2 °C, tal como lo describe la norma

técnica colombiana NTC 550.

2.6 Pruebas físicas y mecánicas de los especímenes de concreto

La evaluación de la resistencia f’c se realizó una prensa hidráulica HM de compresión

de 1500 KN con una velocidad de carga de 0,6 MPa/s. Las ecuaciones (1) y (2) describen el

cálculo de la elasticidad Ec (MPa), y la densidad ρ (Kg/m3) en condiciones SSS (saturado

superficialmente seco), de los especímenes preparados, respectivamente.

𝜌 =𝑀

𝑉 [Kg/m3] Ec. 1

𝐸𝑐 = 3900√𝑓´𝑐 [MPa] Ec. 2

Donde; M y V describen la masa (Kg) y el volumen (m3) de los especímenes cilíndricos

de concreto, respectivamente.

2.7 Geometría de paneles para simulaciones

Para las siguientes simulaciones se diseñan tres tipos de paneles todos con las mismas

dimensiones de 97 cm de altura, 48 cm de ancho y 3.2 cm de espesor, pero con la diferencia

en el contenido de acero en cada uno. El diseño del panel 1 presenta un marco de acero

alrededor con un espesor de 4 mm, el diseño del panel 2 presenta un acero enmallado de 15

cm x 15 cm y con espesor de 3 mm y el diseño del panel 3 presenta un acero enmallado de

7.5 cm x 7.5 cm con un espesor de 2.66 mm. Los modelos se ilustran en la figura 1.

Figura 1. Modelo de paneles para las simulaciones (COMSOL Multiphysics)

2.7 Simulación térmica de paneles prefabricados

Según la ISO 7730:2005 determina los ambientes térmicos óptimos que se deben presentar

para el bienestar de las personas en el entorno. Las temperaturas optimas serian de 24 ±

1.0°C, 24 ± 1.5°C y de 24 ± 2.5°C [13]. La conductividad térmica es una propiedad física

que tienen ciertos materiales para transportar energía en forma de calor, a través de un

gradiente de temperatura [14]. El calor siempre fluye en dirección de la temperatura más baja,

de acuerdo con la segunda ley de termodinámica [15]. En la tabla I se muestran la

conductividad térmica de algunos materiales que se utilizan en construcción.

Tabla I.

Conductividad térmica materiales de construcción

Material Conductividad térmica W/m°K

Plata 406,00

Cobre 385,00

Aluminio 205,00

Acero 50,20

Ladrillo rojo 0,60

Concreto tradicional 1,11

Madera 0,12-0,04

El flujo de calor es la cantidad de energía a través de un área determinada frente al tiempo.

La temperatura es el resultado, mientras que el flujo de calor es el proceso que se produce

frente a un cambio de temperatura [16]. Para la simulación térmica de los paneles, se

tuvieron los siguientes parámetros para cada material (concreto y acero); conductividad

térmica (k), capacidad térmica a presión o calor especifico (Cp) y densidad (ρ). Para el

concreto se trabajó con una capacidad térmica a presión y densidad constante de 920 J/Kg

K y 2300 Kg/m3 respectivamente [14]. La conductividad térmica en el concreto fue

variando, tomándola de la tabla II [16] [17] [18]. Para el acero se trabajó con una capacidad

térmica a presión de 446 J/Kg K, densidad de 7817 Kg/m3 y una conductividad térmica de

52 W/m K [15]. Para la simulación térmica de los paneles se aplicaron dos temperaturas

una en cada sección de mayor área del panel, de 283.15 K y 303.15 K, las demás secciones

de los paneles son aisladores térmicos.

Tabla II.

Conductividad térmica

Material Conductividad térmica W/m°K

Concreto modificado 7,5% de PET 1,26

Concreto tradicional 1,11

Concreto modificado 7,5% de caucho granulado

0,56

Muros de quincha 0,17

Concreto de espuma de poliestireno con densidad entre 150Kg/m3 a 400Kg/m3

0,08

2.8 Simulación mecánica de paneles prefabricados.

Para la simulación mecánica de los paneles, se tuvieron los siguientes parámetros para

cada material (concreto y acero); módulo de Young o módulo de elasticidad (E), coeficiente

de Poisson (nu) y densidad (ρ). Para el concreto se trabajó con un coeficiente de Poisson y

densidad constante de 0.2 y 2300 Kg/m3 respectivamente [14]. El módulo de Young en el

concreto fue variando respecto a los datos obtenidos en el laboratorio, que se pueden observan

en la figura 6. Para el acero se trabajó con un coeficiente de Poisson de 0.3, densidad de 7817

Kg/m3 y un módulo de Young de 200 GPa [19]. Para la simulación a la flexión se aplicó una

carga puntual de -1 KN en el medio de la superficie de mayor área del panel, fijando las caras

de los extremos de menor área. Para la simulación a la compresión se aplicó una carga

superficial de -84.63 KN/m² en la cara de menor área que tiene 0.01536 m², fijando la cara

del otro extremo de igual área.

3 RESULTADOS

3.1 Caracterización de los materiales

La Figura 2 y Figura 3 muestran la distribución granulométrica de los agregados

gruesos y finos de la empresa de viviendas prefabricadas de Antioquia-Colombia tomado

para este estudio.

Figura 2. Análisis granulométrico de los agregados gruesos

Figura 3. Análisis granulométrico de los agregados finos

Los resultados de la caracterización de los agregados gruesos y finos, Figura 2 y Figura

3, respectivamente, muestran que ninguno de los dos materiales se encuentran dentro de los

límites recomendados para la elaboración de concretos, tal como lo defina la norma técnica

colombiana NTC 77 [20] [21].

Los resultados de la caracterización de los materiales se muestran en la Tabla III.

Tabla III.

Resultados de caracterización de los materiales

Característica del material Agregado Grueso Agregado Fino

Tamaño máximo (mm) 12,5 9,5

Tamaño máximo nominal(mm) 9,5 6,3

Módulo de finura 3,67 3,41 Masa Unitaria suelta (Kg/m3) 1688,22 1616,11

Masa unitaria compactada (Kg/m3) 1853,22 1698,00

Densidad aparente (Kg/m3) 2640 2540

Absorción (%) 2,27 2,15

Los resultados experimentales muestran que las masas unitarias tanto sueltas como compactas

se encuentran dentro del rango requerido para la elaboración de concretos (1440

Kg/m3 - 1760 Kg/m3). Asimismo, se observa de la Tabla III que los porcentajes de

absorción de ambos agregados se encuentran por encima de los límites permisibles (2% de

absorción) para la preparación de concretos, requiriéndose probablemente una mayor

cantidad de agua, para su hidratación, lo cual podría afectar la relación agua cemento utilizada

para el diseño de la mezcla. También se puede observar que el tamaño máximo nominal (9.5

mm) es muy inferior al reportado para la elaboración de concretos comerciales (alrededor de

25 mm), por lo cual se infiere que el material utilizado por la empresa sea más adecuado

para elaborar morteros en lugar de concretos

La cantidad empleada para elaborar 20 paneles de 97x48x3.2 cm según la empresa de

viviendas prefabricadas de Antioquia-Colombia se muestra en la tabla IV.

Tabla IV.

Cantidades de materiales en la preparación de mezcla modelo de la empresa de viviendas

prefabricadas

Componente Cantidad

Cemento (Kg) 100

Agregado grueso (m³) 113562

Agregado fino (m³) 227124

Agua (m³) 94635

Acelerante SIKA (m³) 251,327

A partir de las mezclas diseñadas se prepararon dos especímenes de concreto, utilizando

aditivo o el proceso de curado tal como se describe a continuación en la tabla V.

Tabla V.

Mezclas elaboradoras de estudio.

MODELO ELABORACION VARIABLES PROCESO DE CURADO ADITIVO

M1 Laboratorio Reguladas Con Cal X

M2 Laboratorio Reguladas Con Cal ✓

M3 In Situ Sin Regular Con Cal ✓

M4 In Situ Sin Regular Al aire libre ✓

3.2 Propiedades físicas de los especímenes de concreto.

3.2.1 Asentamiento

Los resultados del asentamiento se presentan en la figura 4

ase

nta

mie

nto

(cm

)

25 23.3

20

15 13.4

14.6

10

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

M1 M2 M3

Figura 4. Asentamiento de los especímenes preparados

Los resultados de la Figura 4 muestran que las muestras M1 y M2 presentaron asentamientos

de 13.4 cm y 14.6 cm, respectivamente, las cuales se encuentran dentro de los límites

permisibles para concretos bombeables (rango comprendido 10 - 15 cm) [21], siendo un

concreto con condiciones de trabajabilidad adecuadas, asimismo se puede comprobar

que mientras se lleva a cabo una buena regulación del proceso, el uso de aditivos no

tiene ningún efecto significativo sobre el asentamiento de la mezcla, de hecho nuestros

resultados son acordes a los reportados por la literatura, donde se ha informa que los aditivos

tienen efecto sobre la disminución del tiempo de fraguado de los especímenes y no en el

asentamiento [21], Por lo contrario, la muestra M3 presentó un asentamiento de 23.3 cm, 60%

mayor que la mezcla M2, lo cual permite inferir que un control adecuado durante la

preparación de la mezcla tiene efecto sobre el asentamiento, de hecho, se ha reportado que

los asentamientos elevados tienen un efecto negativo, generando un fenómeno de

sedimentación en la mezcla [21].

Los resultados de la densidad de los especímenes preparados en estado endurecido (a los 28

días) se muestran en la Figura 5.

Den

sid

ad (

Kg

/m3)

Res

iste

ncia

a la

com

pres

ion

(MP

a)

2500

2000

1500

1000

500

0

M1 M2 M3 M4

Figura 5. Densidad de los especímenes

De la Figura 5, se puede observar que los especímenes presentaron valores similares

de la densidad, con un valor promedio de 2290

Kg/m3, lo cual indica que ni la adición de aditivos, ni el proceso de curado influyen

significativamente en la densidad, dado de que todas las muestras contienen las mismas

cantidades de materiales precursores.

La resistencia a la compresión de los especímenes cilíndricos preparados se muestra en la

Figura 6.

18

16 Referencia 17.5 MPa

14

12

10

8

6

4

2

0 M1 M2 M3 M4

Figura 6. Resistencia a la compresión

Los resultados presentados en la Figura 6 muestran que la resistencia a la compresión

está fuertemente influenciada por el uso de aditivos así como por el proceso de curado de los

especímenes, de hecho se observa que la muestra M1, presenta la mayor resistencia a la

compresión (12.85 MPa), la cual representa el 76% de la resistencia requerida para ser

utilizada en especímenes de concreto de baja resistencia (17.5 MPa), tal como lo describe la

norma técnica colombiana NTC 673 [21], asimismo se puede observar el uso de aditivo

disminuye la resistencia a la compresión (11.07 MPa) alcanzando solo un 65% de la

resistencia requerida. Este comportamiento puede ser atribuido a la disminución de la fuerza

de cohesión entre los materiales constituidos de la pasta de cemento, utilizados en la

preparación de los especímenes. Se puede observar que el control de las variables genera un

efecto positivo sobre la resistencia a la compresión, de hecho, cuando no se lleva a cabo un

adecuado proceso de control, se alcanzan resistencias del 40% y 36% para las muestras M3

y M4, respectivamente, con respecto a la referencia (17.5 MPa). Asimismo, se encuentra que

el proceso de curado influye ligeramente sobre la resistencia a la compresión, sin embargo,

el efecto mostrado, permite evidenciar que si se desean ahorrar costos en la elaboración de

los especímenes el proceso de curado en agua con cal, no es fundamental dentro del proceso.

Como se puede apreciar de la figura 6, ninguna de las pruebas alcanzó la resistencia a la

compresión adecuada para ser usada como elementos estructurales y las placas con más

apropiadas para cerramiento.

Los resultados del módulo de elasticidad de los especímenes preparados se presentan en la

figura 7.

Figura 7. Módulo de Elasticidad

Los resultados mostrados en la figura 7, la relación entre el esfuerzo al que está sometido el

concreto se comprende que el M1 tiene mayor deformación unitaria, por lo tanto, su rango

o límite de elasticidad es mayor con 13832.48 MPa, se considera que a este punto el concreto

ya no tiene deformaciones reversibles. En relación a la figura 7, se observa que M3 tiene

mayor contenido de aire generado menor resistencia, teniendo en cuenta que en las cuatro

mezclas se utilizó material de la misma cantera en cantidades iguales.

3.3 Simulación térmica

Las simulaciones fueron hechas con Comsol Multiphysics 5.0 y los resultados que se

obtuvieron se ilustran en la figura 8, 9 y 10, donde se observa el comportamiento de flujo

de calor y distribución de temperatura para las diferentes conductividades térmicas

mencionadas en la tabla II. El tamaño de las flechas negras corresponde a la magnitud de

flujo de calor, y el color del panel corresponde al valor de temperatura con su respectiva barra

de color. Se utilizan las imágenes de los resultados de las simulaciones para concluir de

manera más rápida y eficiente.

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 8. Resultados de la simulación térmica del panel 1, donde la conductividad

[W/m°K] del concreto es (a) 0.08, (b) 0.17, (c) 0.56, (d) 1.11 y (e) 1.26.

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 9. Resultados de la simulación térmica del panel 2, donde la conductividad

[W/m°K] del concreto es (a) 0.08, (b) 0.17, (c) 0.56, (d) 1.11 y (e) 1.26.

(a) (b)

(c)

(d)

(e)

Figura 10. Resultados de la simulación térmica del panel 3, donde la conductividad

[W/m°K] del concreto es (a) 0.08, (b) 0.17, (c) 0.56, (d) 1.11 y (e) 1.26.

Observamos en estas simulaciones térmicas el comportamiento del acero, al tener mayor

conductividad térmica, se presenta mayor cantidad de flechas y con una magnitud mucho

mayor a comparación del concreto. En la figura 10 se puede observar mayor flujo de calor

debido al alto contenido de acero a comparación de las figuras 8 y 9. Esto quiere decir que,

si yo utilizo el panel 3 en viviendas prefabricadas con el propósito de aumentar el aislamiento

térmico, es muy mala idea.

3.4 Simulación mecánica

Los datos obtenidos con esta simulación presentan la tensión Von Mises N/m² que se

genera en cada panel como se pueden ilustrar en las figuras 11, 12 y 13, donde se observa el

comportamiento a la flexión de los diferentes módulos de Young. Los resultados obtenidos

con la simulación a la compresión de los paneles se ven ilustrados en las figuras 14, 15 y

16, donde se presenta la tensión Von Mises N/ m² en la barra de colores, con los diferentes

módulos de Young.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 11. Resultados de la simulación mecánica a flexión del panel 1, donde el módulo de

elasticidad [MPa] del concreto es (a) 10301.75, (b) 11085.88, (c) 12945.34 y (d) 13832.48

(a) (b)

(c) (d)

Figura 12. Resultados de la simulación mecánica a flexión del panel 2, donde el módulo de

elasticidad [MPa] del concreto es (a) 10301.75, (b) 11085.88, (c) 12945.34 y (d) 13832.48

(a) (b)

(c) (d)

Figura 13. Resultados de la simulación mecánica a flexión del panel 3, donde el módulo de

elasticidad [MPa] del concreto es (a) 10301.75, (b) 11085.88, (c) 12945.34 y (d) 13832.48

(a) (b)

(c) (d)

Figura 14. Resultados de la simulación mecánica a compresión del panel 1, donde el

módulo de elasticidad [MPa] del concreto es (a) 10301.75, (b) 11085.88, (c) 12945.34 y (d)

13832.48.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 15. Resultados de la simulación mecánica a compresión del panel 2, donde el

módulo de elasticidad [MPa] del concreto es (a) 10301.75, (b) 11085.88, (c) 12945.34 y (d)

13832.48

Figura 16. Resultados de la simulación mecánica a compresión del panel 3, donde el

módulo de elasticidad [MPa] del concreto es (a) 10301.75, (b) 11085.88, (c) 12945.34 y (d)

13832.48

En el primer caso de la simulación térmica, en la figura 8, se observó que es muy buen aislante

térmico porque no presenta tanto flujo de calor a comparación de los otros, pero es de las

peores opciones si desea tener un buen refuerzo para la parte mecánica en el panel.

En las figuras 11 y 14 las cargas distribuidas están concentradas en su mayoría en el concreto

por el poco acero que presenta el panel.

En las figuras 12 y 15 las cargas mecánicas se transmiten de manera más distribuida en la

rejilla. Esto ocasiona que la concentración de la carga va disminuyendo en el concreto.

En las figuras 13 y 16 presentan unos paneles muy buenos para la resistencia, pero muy malos

para la conductividad térmica, debido al alto contenido de acero en el panel.

3.5 Análisis económico

En la tabla VI se observan los precios unitarios de los materiales (agregados, aditivos y

cemento), respecto a la cantidad. Se presupuestó para fabricar un metro cubico de mezcla con

la dosificación de la empresa de acuerdo con el tipo de mezcla M1 y M2 que

observados en las tablas VII y VIII.

TABLA VI

Precios de los materiales

MEZCLA DOSIFICACION UNIDADES PRECIO

Cemento 325 Kg $ 177.976

Agregado Grueso 369076,5 cm³ $ 221.723

Agregado Fino 738153 cm³ $ 260.007

Agua 307563,75 cm³ $ 1.305

TOTAL $ 661.011

TABLA VII

Precios para M1 para m³

MATERIAL P/U KG /U CANTIDAD PRECIO

Arena $ 6.800 50 4 $ 27.200

Triturado $ 8.900 40 4 $ 35.600

Sika $ 70.900 5 1 $ 70.900

Cemento $ 23.000 42 1 $ 23.000

TABLA VIII

Precios para M2 para m³

MEZCLA DOSIFICACION UNIDADES PRECIO

Cemento 325 Kg $ 177.976

Agregado Grueso 369076,5 cm³ $ 221.723

Agregado Fino 738153 cm³ $ 260.007

Agua 307563,75 cm³ $ 1.305

Sika 816,8141 cm³ $ 13.667

TOTAL $ 674.678

Con los resultados mencionados anteriormente observamos que M1 a comparación de M2

al no tener aditivo obtiene mayor resistencia a la compresión, esto en valores financieros es

positivo porque no es necesario el aditivo, disminuyendo el costo de los materiales para la

mezcla. Al elaborar el diseño de mezcla es conveniente regular, manejar y controlar el proceso

para obtener un producto de mejor calidad sin que implique mayores costos.

4 CONCLUSIONES

Se identificó que los agregados no cumplen con los estándares de la Norma NSR – 10 para

la elaboración de mezclas de concreto, lo cual se reflejó en una resistencia a la compresión

por debajo del límite máximo permisible (17.5 MPa) para elementos estructurales.

Las nuevas mezclas diseñadas se identifican que la M1 es las más económica con un costo

661.011 pesos colombianos para elaborar metro cubico de concreto liviano,

La muestra M1 presentó la mejor resistencia a la compresión (12.85 MPa) y un

asentamiento dentro de los límites recomendados para concretos bombeables. Asimismo,

los especímenes elaborados in situ con la dosificación que elabora la empresa mostraron los

más bajos desempeños de los especímenes probados, por lo que es recomendable para la

empresa tener mejores hábitos para los procesos de elaboración de los paneles donde se

controlen adecuadamente los parámetros de elaboración, redundando en elementos con mejor

resistencia a la compresión simple sin implicar un aumento en el costo actual.

Con las simulaciones térmicas se puede determinar el flujo de calor en cada uno de los

modelos, quiere decir que la vivienda al encontrarse a una temperatura extrema de calor,

esta se va a calentar con mayor rapidez al interior, debido al alto grado de acero que el

panel pueda presentar, de acuerdo a la simulación y al contexto, el panel que mejor presenta

aislamiento térmico es el del primer caso expuesto. A mayor acero, mayor flujo de calor y

menor aislamiento térmico presenta el panel. El contenido de acero en los paneles para el

comportamiento térmico y mecánico es inversamente proporcional, debido que a menor acero

mayor aislamiento térmico pero menor resistencia mecánica, y a mayor acero menor

aislamiento térmico pero mayor resistencia mecánica.

En conclusión, el propósito de la simulación es la rapidez y el ahorro económico, para

proceder a elaborar pruebas experimentales de los paneles simulados que presentaron

comportamientos óptimos según la aplicación.

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