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FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

DISEÑO DE UNA VIVIENDA UNIFAMILIAR UTILIZANDO

ELEMENTOS PREFABRICADOS DE FERROCEMENTO

CON OPCION DE AMPLIACION

Monografía previa a la

obtención del título de

Ingeniero civil

Autores:

Pablo Esteban Cevallos Cevallos.

Damián Marcelo Ochoa Rodríguez.

Director:

Prof. Ing. Diego Tinoco Chacón.

Cuenca – Julio 2011

Autores: Pablo Esteban Cevallos Cevallos 2

Resumen

El presente proyecto abarca lo referente a la solución habitacional de una vivienda unifamiliar, mediante la utilización de una tecnología adecuada a nuestro medio, empleando elementos prefabricados de ferrocemento.

En el trabajo constan varios de aspectos desde las bases teóricas del ferrocemento como material de construcción, análisis sísmico, cimentaciones. Se ha realizado el diseño de cada uno de los elementos constituyentes de la vivienda tales como, elementos de pared, entrepiso y cubierta todos estos diseñados con paneles prefabricados de ferrocemento, y se han establecido recomendaciones de curado y aspectos constructivos.

Además se cuenta con el diseño para una posible ampliación de la vivienda a 2 plantas, con los mismos elementos prefabricados, esta ampliación presenta sus respectivos planos y análisis.

Para el diseño estructural ha sido considerad la acción sísmica, y cargas servicio usuales en nuestro medio. Este proyecto consta en su parte final como anexo los planos arquitectónicos, estructurales, de detalles constructivos, instalaciones eléctricas, e hidro-sanitarios.

Autores: Pablo Esteban Cevallos Cevallos 7

CAPITULO I INTRODUCCION

La solución de habitacional es un objetivo propio de cada uno de los gobiernos de turno presentes de manera local, seccional o nacional en toda Latinoamérica ya sea para como medio de ayuda para los sectores de pocos recursos económicos brindándoles un hogar digno para ayudar a sus superación o como una solución emergente para la reconstrucción de viviendas en sectores afectados por desastres naturales importantes que obligan a la salida de grupos de personas de sus hogares debido a la peligrosidad del suceso o por la destrucción total de sus viviendas.

Este proyecto esta direccionado a dar una solución real a esta situación siendo factible para nuestro medio, con viviendas mixtas de hormigón y ferrocemento diseñadas de manera técnica asegurando su desempeño ante los factores ambientales a los que estará sometida durante su periodo de vida.

También se debe considerar que la construcción de estas viviendas se dará en periodos muy cortos maximizando el rendimiento en el caso de la construcción de grupos de casas o en el caso de una vivienda aislada ahorrando costos en mano de obra.

El déficit de vivienda en el país es una problemática discutida y en busca de solución, problema que se presenta de mayor manera en las ciudades más densamente pobladas del país dando lugar al hacinamiento producido en algunos sectores donde la población se reparte de manera desordenada y sin servicios básicos. Sin embargo el problema también es importante en el resto del territorio nacional donde existen ciudades con altos márgenes de pobreza en busca de una solución para la vivienda de estos grupos.

Vale recalcar que organismos como el MIDUVI presentan una solución con casas construidas con elementos de hormigón armado y mampostería de bloque lo que se plante en este proyecto es una solución alternativa con tiempos de ejecución menores que pueden traducirse en ahorro en mano de obra y una producción más acelerada al usarse mayormente elementos prefabricados.

Es también importante el hecho de que muchas de las viviendas económicas edificadas actualmente se realizan sin ningún criterio técnico poniendo en riesgo a quienes habitan en ellas ya que son construidas en base del conocimiento empírico de quienes dirigen su construcción muchas veces siendo la misma comunidad o la familia la que construye su vivienda sin prever los riesgos que se pueden presentar.

Se pudo observar recientemente en último sismo sucedido en Haití donde las viviendas edificadas únicamente en mampostería significaron grandes pérdidas

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económicas dejando a miles de personas sin un lugar donde vivir convirtiéndose en un problema social de grandes proporciones, además del desastre que significaron las vidas perdidas debido a la diversas falencias constructivas presentes en edificaciones construidas por gestión de propietarios y por organismos gubernamentales.

En base a lo anteriormente expresado no se puede olvidar que el país se encuentra ubicado geográficamente sobre el cinturón de fuego lo que representa en una región altamente sísmica donde es seguro que se presentara este fenómeno y no se quiere que se repitan las malas experiencias sucedidas en países como Haití.

En el caso de viviendas de ferrocemento estas han presentado un excelente desempeño ante eventos sísmicos en países como Nicaragua y recientemente en Chile sirviendo como una buena referencia de su comportamiento antisísmico.

Como solución a los problemas citados en este proyecto se propone la construcción de viviendas con elementos prefabricados de ferrocemento los que pueden ser producidos en serie, de manera industrial asegurando la calidad de los mismos, viviendas que sigan un diseño estándar que cumpla con requerimientos técnicos, siendo ventajosos por su velocidad de construcción y su facilidad de construcción pues no requiere mano de obra especializada.

Además de que se pueden realizar diseños de diversos tipos para ajustarse a la economía de construcción que se requiere usando el mismo tipo de paneles prefabricados. También se pueden realizar diseños económicos estándar con la opción a una ampliación de manera fácil y económica dando la libertad a sus propietarios a realizar cambios posteriores siendo ese el objetivo de diseño a presentarse en este proyecto.

La construcción de viviendas con elementos prefabricados es un campo poco explotado en el país, sin embargo constituye una técnica económica y de gran utilidad en la construcción de viviendas de forma masiva.

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CAPITULO III BASES TEORICAS

3.1 Definición de ferrocemento

El ferrocemento es un material de construcción compuesto, de poco espesor, flexible, que está constituido por un gran número de mallas de alambre de acero de pequeño diámetro que se encuentran distribuidas uniformemente a través de la sección transversal. El mortero utilizado es muy rico en cemento, lográndose así un comportamiento que se puede considerar como elástico.

Namman propone la siguiente definición de ferrocemento.

“Es una lámina de pequeño espesor, construida con mortero de comento hidráulico reforzado con capas de telas de mallas formadas con alambres continuos y de relativamente pequeño diámetro. La tela de mallas puede ser hecha de alambres metálicos o de cualquier otro adecuado material. La matriz de mortero y su composición debe ser compatible con la tela de mallas y la armadura de esqueleto al cual se fija. La matriz puede contener fibras discontinuas”^1

El ferrocemento tiene una amplia gama de aplicaciones que incluyen la construcción de viviendas, depósito de líquidos, muelles flotantes, monumentos, piscinas, la construcción de barcos y buques entre otros.

3.2 Materiales Componentes 3.2.1 Mortero

El mortero utilizado usualmente para conformar la matriz, representa más de un 95% del volumen, es una mezcla de cemento hidráulico y arena al que se le puede agregar aditivos que mejoren su comportamiento de acuerdo al uso propuesto para el elemento de ferrocemento.

Se ha establecido una densidad de 2200 kg/m3 basándose en las normas de la ex unión soviética aumentando este peso en función de la cantidad de refuerzo que se use en el elemento

Existe una gran cantidad de variables que pueden afectar las propiedades de la matriz los requerimientos generales que debe presentar la mezcla son resistencia a la compresión, impermeabilidad, dureza, resistencia a ataques químicos y la característica más importante debe permanecer uniforme, compacta y sin poros independientemente de concentración de las telas de malla de refuerzo, pues los agresivos agentes del medio ambiente no solo son los mecánicos que deforman , rompen y desgastan sino también los físicos-químicos que provocan sobre todo, la

(^1) -Antoine E. Naaman, Ferrocement & Laminated and Cementitius Composites, Techno Press 3000, Ann

Harbor Michigan 48105 USA,

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corrosión de las armaduras, donde el mortero desempeña un papel importante. Su resistencia es inversamente proporcional a la cantidad de agua usada.

Naaman sugiere que el asentamiento sea el menor posible para que permita una buena compacidad en toda la masa y recomienda no exceder los 6 cm.

“Al igual que en el caso del hormigón, la resistencia mecánica es una importante propiedad en el mortero. Para asegurar una buena resistencia mecánica se debe controlar en la mezcla su laborabilidad, baja permeabilidad, adecuada protección del refuerzo contra la corrosión entre otros, por lo que se tiene un alto consumo de cemento de entre 500 y 800 kg/m3 y la relación agua/cemento entre 0.35 y 0.50 y su resistencia varía en un rango de entre 25 y 50 MPa”.^2

3.2.1.1 Materiales componentes de la matriz 3.2.1.1.1 Cemento

En el ferrocemento, la calidad del cemento utilizado en su elaboración puede afectar su comportamiento en lo que tiene que ver con la durabilidad de los elementos debido a los pequeños espesores utilizados y al reducido recubrimiento que tiene el acero. Un consumo de cemento en el rango de 500 a 800 Kg por metro cubico de mortero elaborado son los normalmente utilizados en este tipo de material de construcción.

3.2.1.1.2 Áridos

El árido que se utiliza en la elaboración del mortero es la arena, teniendo esta un tamaño máximo de 5mm aproximadamente, en total dependencia del espesor que tenga el elemento y también de la densidad de la armadura puede ser necesario disminuir el tamaño máximo del agregado (esto debido a que el mortero en conjunto debe atravesar con total facilidad a través de las telas de malla que conforman el refuerzo). Este material se encuentra disperso toda la masa del mortero y ocupa entre el 60 y 70% de su volumen y debe tener algunas propiedades tales como resistencia, impermeabilidad y la capacidad de producir una adecuada laborabilidad con el fin de obtener una adecuada penetración en las mallas, con un valor mínimo de la relación agua/cemento.

Las arenas a ser utilizadas pueden ser de origen natural o artificial (esto, resultado de la trituración de piedra de mayor tamaño), y deben cumplir con cada una de las propiedades establecidas a través de la normativa respectiva; la resistencia a los diferentes esfuerzos de origen mecánicos, el contenido máximo

(^2) Dr. Ing Hugo Wainshtok, Ferrocemento diseño y construcción, La fabrika comunicación integral,

Riobamba-Ecuador,2010.

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Los aditivos igual que para la elaboración de otros materiales de construcción, son utilizados para disminuir el porcentaje de cemento a ser utilizado, mejorar las características físico- mecánicas del compuesto y para acelerar el endurecimiento del mortero.

Entre los aditivos que son utilizados se encuentran el polvo de cenizas, las escorias granuladas, arena cuarzosa molida, algunos polvos de piedra.

Los aditivos químicos de mayor uso se pueden dividir en función de las características que le aportan al mortero. Los más comunes son:

• Plastificantes
• Aceleradores
• Incorporadores de Aire
• Aditivos de expansión
• Impermeabilizantes

3.2.2 Refuerzo

“El refuerzo aplicado en el ferrocemento puede ser de armadura difusa constituida por telas de mallas de alambres de pequeño diámetro y poco espaciados entre si y de armadura discreta compuesto por alambrones o barras de acero de pequeño diámetro. Su función es conformar la estructura y soportar el peso del mortero sin fraguar, y luego absorber los esfuerzos de tracción que el mortero solo no sería capaz de resistir, y favorecer el surgimiento de una configuración de pequeñas fisuras poco espaciadas entre sí. El comportamiento del ferrocemento depende en gran medida del tipo, cantidad, orientación y resistencia del refuerzo y sobre todo el grado de concentración y su comportamiento el agrietamiento dependerá las dimensiones de las mallas.

Las mallas usadas para refuerzo de ferrocemento pueden ser de diversos tipos usándose tela de malla hexagonal, tela de malla tejida, electro soldada y otras”.^4

3.2.2.1 Tela de malla soldada

La tela de malla soldada se encuentra formada por alambres rectos de acero que al unirse unos con otros forman mallas cuadradas soldadas entre sí en los puntos de contacto entre ellas. Por ser más rígidas, este tipo de malla tiene ventaja cuando el montaje es en superficies planas. El tipo de malla a usar en diseño será determinado de acuerdo a las disponibles en el mercado local.

(^4) Dr. Ing Hugo Wainshtok, Ferrocemento diseño y construcción, La Fabrika comunicación integral, Riobamba-

Ecuador,

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3.3 Comparación con el Hormigón Armado

El ferrocemento es un tipo de hormigón armado, sin embargo hay un número importante de factores sumamente importantes que explican el diferente comportamiento del ferrocemento y de los elementos clásicos de hormigón armado.

3.3.1 Propiedades físicas

El ferrocemento tiene el refuerzo distribuido en toda su masa y en dos direcciones. El principal está constituido por telas de malla de alambres de pequeño diámetro (0.5-2.00mm), en lugar de barras de mayor diámetro del hormigón armado.

Su matriz es de material fino (arena) en lugar de mezclas de árido fino y grueso como es general en el hormigón armado.

Sus espesores fluctúan entre 1 y 5 cm.

3.3.2 Propiedades mecánicas El ferrocemento puede considerarse un material homogéneo y elástico bajo determinados límites de carga. Tiene una alta resistencia a la tracción y un alto módulo de elasticidad, así como una alta distribución del refuerzo tanto en la zona traccionada como en la comprimida. El factor de volumen del refuerzo, fluctúa entre 2 y 8%, lo que implica un factor de 1 a 4 en cada dirección. Tiene una alta superficie específica en el refuerzo, pudiendo llegar a 3cm-1, cifra 10 veces mayor que la alcanzada por el hormigón armado.

Su deformación antes del fallo es mayor que la del hormigón armado, en ocasiones hasta 5 veces más.

3.3.3 Constructivos Al igual que el hormigón armado el ferrocemento puede preparase in situ o prefabricarse. Debido a la notable disminución de los materiales que utiliza y al poco peso por sus pequeños espesores, el ferrocemento requiere menos mecanización que en piezas de hormigón armado. Sin embargo, su industrialización puede ser similar aunque con menor inversión inicial y además son factibles de construir, mantener y reparar.^5

(^5) Dr. Ing. Hugo Wainshtok, Ferrocemento diseño y construcción, La Fabrika comunicación integral,

Riobamba-Ecuador,

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Composición de la matriz Cemento portland Cualquier tipo Relación Agua/Cemento en peso 0.35 ≤ a/c ≤ 0. Relación Arena/cemento en peso 1 ≤ ar/c ≤2. Aditivos Similares a laos usados en el hormigón Granulometría de la arena Pasando el tamiz no 8 (2.38mm) y 5% en peso el N100 (0,25) Propiedades del compuesto Espesor 10 ≤ h ≤ 50mm Recubrimiento 2 ≤ r ≤ 6mm Tensión permisible a la tracción directa 5.0 Mpa (tela de malla cuadrada o rectangular) y 3.5 Mpa (tela de malla hexagonal) Tensión permisible a la tracción por flexión

7.0 Mpa (tela de malla cuadrada o rectangular y 5.0 (tela de malla hexagonal) Tensión de compresión permisible 0.45 R’b Máxima flecha permisible L/ Tabla 3 Composición de la matriz y propiedades del compuesto

Fuente: Ferrocemento diseño y construcción, página 65

3.5 Propiedades físico mecánicas

3.5.1 Comportamiento a compresión

“Los resultados experimentales indican que la resistencia del ferrocemento en compresión está dada fundamentalmente por el mortero en proporción directa al área de su sección transversal. El aporte de resistencia a compresión del refuerzo no es considerado debido a la esbeltez de sus elementos”.^6

Si se aplica el criterio de las tensiones permisibles Naaman sugiere un límite de 0.45R’b para las tensiones de compresión.

3.5.2 Comportamiento a flexión

(^6) Dr. Ing Hugo Wainshtok, Ferrocemento diseño y construcción, La Fabrika comunicación integral, Riobamba-

Ecuador,

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La curva carga- desplazamiento de un elemento sometido a flexión simple es aproximadamente trilinieal y se pueden apreciar tres zonas de comportamiento bien definidas: elástica, elasto-plastica y plástica

Ilustración 1 Comportamiento a flexión de elementos de ferrocemento

“El ferrocemento se comporta como un material elástico hasta la formación de la primera fisura, cuando ocurre una sensible disminución de la rigidez en el elemento flecado, que se identifica por la desviación del diagrama carga flecha.

En la siguiente zona el comportamiento pasa a ser elasto-plastico, al ocurrir una multiplicación del número de fisuras acompañado de un aumento pequeño, pero progresivo de la abertura de estas. El diagrama carga-flecha se aproxima bastante a una línea recta.

En la fase final o de fallo el comportamiento del material es no lineal lo que provoca un rápido aumento de las flechas y un acentuado incremento del ancho de las grietas hasta que ocurre el fallo. En este estado se considera que toda la fuerza de tracción la recibe el acero

En relación con la flexión, deben tenerse en cuenta tres posibles fallos, rotura del elemento, formación de la primera grieta que permite corrosión y permeabilidad, y la limitación de la flecha a un máximo por problemas de sección o estructurales”^7

3.5.3 Resistencia al impacto

Numerosos ensayos y experiencias han llegado a demostrar la resistencia del ferrocemento al impacto, dentro de los cuáles las principales ventajas que

(^7) Dr. Ing Hugo Wainshtok, Ferrocemento diseño y construcción, La Fabrika comunicación integral, Riobamba-

Ecuador, 2010.

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relacionado con la reducción del costo y la laboriosidad de la fabricación, así como con el aumento de la productividad y puede conseguirse con la especialización en la producción masiva de estructuras homogéneas o de sus elementos con un máximo aprovechamiento de los equipos.

3.6.1.1 Losa Nervada (tipo Canal)

Tiene una amplia utilidad en la colocación de tabiques, techo y falsos techo en edificios industriales, etc.

Ilustración 2 Perfil Tipo C

3.7 Métodos de construcción

En la versatilidad de un material con tantas posibilidades de uso para construcciones de serie que pueden ser reducidas a la construcción con uno o 2 tipos de paneles es conveniente para el uso de este proyecto la construcción con paneles industrializados.

3.7.1 Construcción por métodos industrializados

Las ventajas de las estructuras de ferrocemento en una construcción masiva son perceptibles íntegramente solo en fabricación industrial.

3.7.1.1 Estructuras espaciales de geometría lineal

Los elementos que tienen una forma geométrica compleja, frecuentemente esta están reforzados con una armadura combinada de alambrones o barras y telas de mallas. Para producir elementos de sección U, T, doble T o en forma quebradas, se utilizan los mismo esquemas y equipamientos que para fabricar elementos planos, pero al necesitar refuerzo combinado, el emplastecido del mortero debe realizarse después de colocadas y fijada la armadura, y de forma análoga se fabrican las losas nervadas y los elementos de sección canal.

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El nuevo equipamiento técnico mecánico se destina al moldeo de las piezas y a su manipulación. Está compuesto por una maquina con vibrador de inmersión suspendido y accionado externamente, un par de rieles ligeros, dos pinzas manipuladoras, una carretilla de carga convencional y un equipo para el movimiento dentro de la planta y para el montaje en obra de las estructuras elaboradas. El conjunto es de fácil rápido y económico traslado, lo que permite su montaje a pie de obra y facilita el ahorro en transporte y tiempo. Es muy flexible, pues su productividad varía según el espacio, mano de obra y condiciones del lugar.

3.7.2 Curado

El curado del mortero es el proceso al cual se somete este material después de colocado y durante cierto tiempo para garantizar su calidad. Un buen curado debe mantener una humedad ya una temperatura favorable en el mortero para la hidratación del cemento, y para evitar al máximo las grietas que puedan aparecer en la superficie libre del elemento debido a la perdida de agua.

3.8 El ferrocemento ante las acciones sísmicas

El Ecuador se encuentra en una zona de peligro sísmico, por lo cual es un factor a considerar en el diseño la acción de las cargas laterales provocadas por este fenómeno, dentro del cálculo de la estructura.

En el mapa que se muestra a continuación se muestra el grado de amenaza sísmica de toda la región específicamente de nuestro interés de la región de estudio que es la provincia del Azuay.