Diseño de una morfología estructural en bambú Guadua ...
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Diseño de una morfología estructural en bambú Guadua angustifolia Kunth para la construcción de equipamientos públicos con luces no mayores a 24 metros en Colombia Aida Lorena Fúquene Giraldo Universidad Nacional de Colombia Facultad de Artes Maestría en Construcción Bogotá D.C., Colombia 2019
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Diseño de una morfología estructural en bambú Guadua angustifolia Kunth
para la construcción de equipamientos públicos con luces no
mayores a 24 metros en Colombia
Aida Lorena Fúquene Giraldo
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Artes
Maestría en Construcción
Bogotá D.C., Colombia
2019
Diseño de una morfología estructural en bambú Guadua angustifolia Kunth para
la construcción de equipamientos públicos con luces no mayores a 24
metros en Colombia
Aida Lorena Fúquene Giraldo
Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magíster en Construcción
Directora:
Arq. MsC. Sindy Marcela Coca Neusa
Codirector:
Arq. Msc. Jorge Enrique Lozano Peña
Línea de Investigación:
Madera y Guadua
Grupo de Investigación:
Madera y Guadua Universidad Nacional de Colombia – GIMG
Centro de Investigación de Bambú y Madera - CIBAM
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Artes
Bogotá D.C., Colombia
2019
“Nuestro espíritu debe percibir en las grandes
construcciones una adecuación sutil de lo
construido a las leyes que rigen la materia en
equilibrio, lo que supone una actitud de
respeto y reverencia frente al prójimo y frente
a lo real. Nada de descuido y despilfarro; sólo
así se llega a conseguir lo que llamábamos
economía en un sentido cósmico, que supone
acuerdo con ese inasible misterio que es el
universo. Y en el proceso de búsqueda de
una viva racionalidad constructiva nos
veremos siempre llevados a resistir con la
forma de aquello que construyamos, no con
una torpe acumulación de materia; nada hay
más noble y elegante, desde un punto de
vista a la vez espiritual y práctico, que resistir
con la forma, y tampoco nada que suponga
un mayor desafío a nuestra inventiva, pero
también a nuestra humildad frente a lo real”
Eladio Dieste.
Agradecimientos
Deseo expresar mi agradecimiento a mi esposo, por tanto amor, comprensión y entrega
al trabajar conmigo siempre para sacar este proyecto adelante. A mi familia, mis
hermanas y mi tía Orfa, por todos sus aportes, amor y apoyo incondicional. A los
profesores Jorge Lozano y Sindy Coca por su enorme dedicación para transmitirme su
conocimiento, motivación y gusto por la investigación. A Andrés Guerra por toda su
colaboración y contribución desde la parte estructural. A la Universidad Nacional de
Colombia por permitir el desarrollo de este trabajo en el laboratorio de ensayos
mecánicos y al Grupo de Investigación de Madera y Guadua de la misma universidad,
por su generosidad, entusiasmo y colaboración. Por último a Don Omar y a Don Aníbal
por su ayuda y excelente disposición al abrirme las puertas de su finca para realizar el
trabajo de campo necesario para el desarrollo de esta investigación.
I
Resumen
El presente trabajo de investigación plantea una morfología estructural eficiente y
racional a partir de un material renovable y económico como es el bambú Guadua
angustifolia Kunth para la construcción de equipamientos públicos en Colombia. Para
éste propósito, se abordan el desarrollo, la sostenibilidad y la innovación desde los
conceptos de Desarrollo a Escala Humana planteado por Max Neef,Elizalde &
Hopenhayn 1994, La Riqueza en la Base de la Pirámide planteado por Prahalad en 1995
y De la Cuna a la Cuna planteado por Braungart & Mcdonough en 2002, en los que la
correlación entre metabolismo técnico, que en éste caso sería la industria para la
construcción de dichos equipamientos y el metabolismo biológico, cuyo material que
garantiza el flujo constante, el bambú Guadua angustifolia Kunth, pueda llegar a
generar un mercado ampliamente accesible en torno a satisfacer necesidades humanas
fundamentales diferentes a la vivienda.
Palabras clave:
Desarrollo Sostenible, Innovación, Morfología Estructural, bambú Guadua
angustifolia Kunth.
II
Abstract
This research proposes an efficient and rational structural morphology from a renewable
and economic material such as bamboo Guadua angustifolia Kunth for the construction of
public facilities in Colombia. For this purpose, development, sustainability and innovation
are approached from the concepts of Human Scale Development proposed by Max
Neef,Elizalde & Hopenhayn 1994, The Fortune at the Bottom of the Pyramid proposed by
Prahalad in 1995 and Cradle to Cradle proposed by Braungart & Mcdonough in 2002, in
which the correlation between technical metabolism, which in this case would be the
building industry to construct such facilities and The biological metabolism, in which, the
bamboo Guadua angustifolia Kunth would be the material that guarantees constant flow.
Thanks to its multiple qualities, Guadua angustifolia Kunth could generate a widely
accessible market around satisfying fundamental human needs different from housing.
Keywords:
Sustainable development, Innovation, Structural Morphology, bamboo Guadua
angustifolia Kunth.
Contenido III
Contenido
Resumen…………………………………………………………………………………... I Abstract………………………………………………………………………………….... II Contenido………………………………………………………………………………..... Lista de Figuras
III
Lista de Tablas Objetivos Introducción
Justificación…………………………………………………………………………….... 1
1. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………….. 5 1.1 El Bambú………………………………………………………………………… 5 1.2 Bambú Guadua angustifolia kunth…………………………………………… 6 1.3 Forma y eficiencia estructural………………………………………………… 8 1.4 1.5
Exploración de la forma resistente y racional durante el siglo XX……….. Eficiencia en las formas de la naturaleza……………………………………
9 15
2. Morfologías Estructurales…………………………………………………… 17 2.1 Estructuras y Sistemas estructurales………………………………………… 17 2.2 Sistemas Estructurales de Forma Activa……………………………………. 20 2.3 Estructuras de Arcos…………………………………………………………… 21 2.3.1 Arcos Empotrados……………………………………………………………… 21 2.3.2 Arcos Rígidos…………………………………………………………………… 21 2.3.3 Arcos Biarticulados……………………………………………………………... 21 2.3.4 Arcos Triarticulados…………………………………………………………….. 21 2.4 2.5
Otras opciones formales……………………………………………………….. Combinaciones de Sistemas Estructurales…………………………………..
22 24
3. ANALISIS DE REFERENTES………………………………………………… 26 3.1 Clasificación de construcciones en bambú rollizo…………………………... 26 3.1.1 Construcciones convencionales y construcciones sustitutas………………. 26 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2
Construcciones vernáculas y tradicionales con Bambú…………………….. REFERENTE No. 1: Pabellón de Deportes de Bambú para la Escuela Internacional Panyaden / Arquitectos Chiangmai Life Construction………. REFERENTE No. 2: Resort Bahía Vietnamita. Vo Trong Nghia Architects
(En construcción)……………………………………………………….
26
29
31 3.1.3 3.1.4 3.1.5
Construcciones convencionales de bambú con ingeniería…………………. Construcciones Sustitutas……………………………………………………… REFERENTE No. 3: Three Mountains Project, Bali. Arq. Jorg Stamm……
32 32 34
3.2 Clasificación de uniones en bambú…………………………………………… 36
3.3 Deformaciones del bambú…………….……………………………………….. 41 4. INTRODUCCIÓN A LOS ENSAYOS………………………………………… 45 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4
Metodología trabajo de campo………………………………………………… Procedencia y selección del material para el estudio………………………. Preparación de las probetas, del sitio y los elementos necesarios para realizar el experimento, así como la disposición del equipo de medición... Ubicación y amarre de las probetas de 12 metros sobre los apoyos, disposición de la referencia de medida para registrar las deflexiones y determinación de los puntos de aplicación de cargas……………………… Aplicación de cargas y toma de datos………………………………………..
46 46
48
50 50
4.2 Ensayo Contenido de Humedad……………………………………………… 58 4.3 Ensayo de densidad……………………………………………………………. 61 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.5.1 4.6 4.6.1
Ensayo a Flexión: Guaduas de 2 a 3 metros de longitud provenientes del trabajo de campo………………………….……………………………………. Equipo para realizar el ensayo………………………………………………... Preparación de los culmos a ensayar………………………………………… Procedimiento de ensayo……………………………………………………… Modulo de elasticidad………………………………………………………….. Resultados, Distribucion normal de Gauss para MOE……………………… Esfuerzo ultimo a flexion………………………………..……………………… Resultados, Distribucion normal de Gauss para Esfuerzo ultimo a flexion……………………………………………………….…………………….
65 67 67 68 72 74 75
76
5. PLANTEAMIENTO DE DISEÑO DE UNA MORFOLOGÍA ESTRUCTURAL EN BAMBÚ Guadua angustifolia Kunth……………………………………………………………………………...
78 5.1 Parámetros de diseño producto del estudio………………………………….. 78 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6
Propuesta Inicial…………………………………………………………………. Propuesta Final………………………………………………………………….. Evaluación del comportamiento estructural………………………………….. Análisis de cargas……………………………………………………………….. Análisis de fuerzas axiales……………………………………………………... Análisis de deformaciones……………………………………………………… Análisis de flexión……………………………………………………………….. Análisis de esfuerzo cortante…………………………………………………... Análisis en los apoyos para diseño de cimentaciones………………………
79 82 90 91 92 93 94 95 96
6. CONCLUSIONES…………………………………………………………….. 97 7. RECOMENDACIONES………………………………………………………. 100
Lista de Figuras
Pág.
Figura 1: Sidamo House Hidalgo (2003).
Figura 2: Chencha House Construcciones hechas en bambú por la tribu Dorze en
Etiopía, África. Hidalgo (2003).
Figura 3: The largest suspension bridge built with bamboo ropes over the Min-chiang
river at Kwan Hsien Conuntry China. Hidalgo (2003).
Figura 4: Matriz de necesidades y satisfactores tomada de DESARROLLO A ESCALA
HUMANA Conceptos, aplicaciones y algunas reflexiones cap. 2 Manfred Max-Neef,
Antonio Elizalde y Martín Hopenhayn……………..……………………………………….…..2
Figura 5: Esquema conceptos de Desarrollo, Innovación y Sostenibilidad abordados
desde los planteamientos del Desarrollo a Escala Humana (Max Neef,Elizalde &
Hopenhayn 1994), La Riqueza en la Base de la Pirámide (Prahalad 1995) y De la Cuna a
la Cuna (Braungart & Mcdonough 2002),(Autor)……………………………………..……...4
Figura 6-7: Domo de loto representativo de la arquitectura tradicional de bambú en India.
Hidalgo (2003)…….……….…………………………………………………..………………….7
Figura 8: Puente Stauffacher de Robert Maillart. Songel (2005)………….………….….10
Figura 9: Puente Zuoz de Robert Maillart. Songel (2005)……………….………………..10
Figura 10: Esquema Constructivo Puente Stauffacher.
Robert Maillart.Songel (2005)……………………………….......……………………………..10
Figura 11: Esquema Constructivo Puente de Zuoz. Robert Maillart. Songel (2005)......10
Figura 12: Puente Salginatobel. Robert Maillart. Songel (2005)……………...…..…......10
Figura 13-14: Puente Schwandbach. Robert Maillart. Songel (2005)…..…..……………10
Figura 15. Sistema Hennebique para estructuras de edificación. Songel (2005)………..11
Figuras 16-17: Esquema de losas fungiformes. Songel (2005)……………………………11
Figura 18-19: Hangares gemelos para dirigibles construidos en Orly en 1923. Eugéne
Freyssinet . Songel (2005)…….………………………………………………………………..12
Figura 20: Pliegues transversales de láminas delgadas de hormigón armado, elemento
rigidizador para la estructura de los hangares gemelos para dirigibles construidos en Orly
en 1923. Eugéne Freyssinet. Songel (2005)……………………………….………….……..12
Figuras 21-23: Frontón Recoletos en Madrid 1935. Secundino Zuazo. Songel (2005)…13
Figuras 24-25: Bóvedas gausas. Eladio Dieste. Songel (2005)….…………….………….14
Figura 26. Estadio Olímpico de Múnich. Frei Otto (2014)……………………………….….15
Figura 27: Esquema de ordenación, Clasificación Genealogía de las estructuras en la
edificación, Sistemas de estructuras Heino Engel (1997)……………………………..……19
Figuras 28: Esquema de cargas para una curva y una catenaria. DISEÑO
ESTRUCTURAL EN ARQUITECTURA. Gloria Diez (2006)………………………………..20
Figuras 29-33: Paraboloides hiperbólicos Félix Candela. Songel (2005)………………..23
Figura 34: Clasificación de redes de acuerdo a la forma, planteada por Frei Otto. Songel
(2005)…………………………………………………………………………………………......24
Figura 35: Clasificación de redes de acuerdo a las fuerzas internas que la afectan: Sin
tensión, es decir flotantes (A), Libremente suspendidas (B) y Pretensadas (C).
Planteada por Frei Otto. Songel (2005)…………………………………………………….…24
Figuras: 36-38: Ejemplos de construcciones vernáculas en bambú hechas en Colombia
y América. Hidalgo (2003)……………………………………………………..…………….….27
Figura 39: Fish-mouth joint with vended thin strap and lashing (after Dunkelberg, 1985)
Widyowijatnoko (2012) ……………………………………………………………..…….…….27
Figura 40: Fish-mouth joint with two pinned flanges (courtesy of Benjamin Brown),
Widyowijatnoko (2012).…………………………………………………………………..……..27
Figura 41: Traditional bamboo gazebo in Indonesia with positive fitting and lashing joint.
(Courtesy of AMURT), Widyowijatnoko (2012)………………………………………….……28
Figura 42: Planar frame in common vernacular bamboo construction (Courtesy of
AMURT), Widyowijatnoko (2012)…………………...…………………………………….……28
Figura 43: Entalladuras o cortes típicos realizados por los constructores empíricos para
la unión de elementos en guadua Hidalgo (2003)……………………………………………28
Figura 44-53: Pabellón de Deportes de Bambú para la Escuela Internacional Panyaden
/ Arquitectos Chiangmai Life Construction. Alberto Cosi, Markus Roselieb (2017)….......30
Figuras 54-56: Resort de bambú en bahía vietnamita / Vo Trong Nghia Architects.
Hiroyuki Oki (2015)…………..………………………………………………………………....31
Figuras 57-58: Estructuras espaciales planteadas en bambú rollizo. Widyowijatnoko
(2012)……………………………………………………………………………………………..32
Figuras 59-60: Bamboo space structure by architect Leiko Motomura (Source: Amima)
Widyowijatnoko
(2012)……………………………………………………………………………………………..33
Figuras 61-65: Three Mountains Project, Bali Arq. Jorg Stamm
(2001)…………………………………………………………..…………………………………35
Figura 66. Clasificación de uniones propuesta por Widyowijatnoko (2012)……..……....37
Figura 67: Main categories of bamboo joints classification, Widyowijatnoko (2012)……39
Figuras 68-69: Transferencia de compresión simple. Widyowijatnoko (2012)…………..40
Figura 70: Expandable joint (izquierda) y unión de tubo metálico (derecha) propuesta por
Nienhuys después de Nienhuys, 1976 Widyowijatnoko (2012)…………………………….41
Figuras 71-72: Deformaciones naturales del bambú. Hidalgo (2003)……………….…42
Figuras 73-74: Deformación artificial de la sección transversal del bambú. Hidalgo
(2003)………........................................................................................................... .42
Figuras 75 y 76. Deformación artificial de la sección longitudinal del bambú. Hidalgo
(2003)…….………………………………………………………………………………….....43
Figura 77. Esquema plan de trabajo practico
(Autor)….………………………………………………………………………………….......46
Figuras 78-79: Localización finca El Jardín, ubicado en la vereda El Hato del municipio
de Guaduas Cundinamarca
(Autor)………………………………………………………………..……………………………47
Figuras 80-81: Vista de parte de los guaduales de la Finca el Jardín
(Autor)……………………………………………………………………………………………..48
Figuras 82-83: Doce de los trece elementos limpios y cortados de 12 metros de longitud
(Autor)……………………………………………………………………………………………..49
Figura 84: Vista de la zona de trabajo previamente adecuada para realizar los ensayos
de flexión en la finca El Jardín
(Autor)…………………………………………………………………………………………….49
Figura 85: Equipo de medición: báscula y termo higrómetro
(Autor)…………………………………………………………………………………………….49
Figura 86: Vista montaje de luces y apoyos
(Autor)…………………………………..…………………………………….………………..…50
Figura 87: Técnica de amarre y cargue en los apoyos
(Autor)…………………………………..…………………………………….………………..…50
Figuras 88-90: Vista de la deflexión inicial respecto al nivel de medida antes de cargar la
guadua y luego de recibir los primeros sacos de arena
(Autor)…………………………………………………………………………………………..…51
Figura 91: Vista de la toma de medidas mientras la guadua se deflecta por la carga
aplicada (Autor)…………..…………………………………………………………………..….51
Figuras 92 y 93. Vista de la deflexión total del elemento respecto al nivel de medida
luego de cargar la guadua (Autor)………………………...…………………………………...51
Figuras 94-95-96: Vista de los puntos y fallas que más se presentaron durante los
ensayos (Autor)………………………………………………………………………………..…52
Figuras 97-98: Vista de las muestras obtenidas para analizar los contenidos de humedad
(Autor)………………………………….………………………………………………………....58
Figuras 99-100-101: Proceso de pesar y secar las muestras
(Autor)………………………………………………………………………………………….….59
Figura 102: Beaker o Vaso de precipitado y Agujas de disección para calcular la
densidad de las probetas mediante el método de inmersión
(Autor)……………………………………………………………………………………………..62
Figura 103: Equipo utilizado para hallar el volumen de las probetas mediante el método
de inmersión (Autor)……………………………………………………………………………..62
Figura 104: Probetas saturadas en agua empleadas para calcular la densidad de las
muestras (Autor)…………………………………………………………………………………63
Figura 105: Se pesa el Beaker o vaso de precipitado, previamente llenado de agua
(Autor)……………………………………………………………………………………………..63
Figura 106: Inmersión de las probetas en el Beaker
(Autor)………………………………………………………………………………..……………63
Figura 107: Esquema del ensayo a flexión de cuatro puntos tomado de la NTC
5525……………………………………………………………………………………………….66
Figura 108: Esquema del ensayo a flexión de tres puntos tomado de la NTC
663………………………………………………………………………………………………...66
Figuras 109-110: Vista de la maquina universal y posicionamiento del culmo a ensayar
(Autor)……………………………………………………………………………………………..67
Figura 111: Posicionamiento de la guadua en el lugar de aplicación del ensayo
(Autor)…….…....................................................................................................................70
Figura 112: Se ubica el equipo LVDT para medir el desplazamiento vertical de la guadua
durante la aplicación de la
carga………………………………………………………………………………………………70
Figuras 113-114: Probetas ensayadas a flexión mediante montaje de cuatro puntos
tomado de la NTC 5525 (Autor)………………………………………………………………..71
Figuras 115-116: Probetas ensayadas a flexión mediante montaje de tres puntos tomado
de la NTC 663 (Autor)…………………………………………………………………………...71
Figura 117: Gráfica de Carga Vs Deflexión para la muestra GFA.
(Autor)…………………………………………………………………………………….……….72
Figura 118: Distribución normal de gauss para módulo de elasticidad (Autor)…………..74
Figura 119: Distribución normal de gauss para esfuerzo ultimo a flexión
(Autor)……………………………………………………………………………………………..76
Figura 120: Primeros esquemas de morfología estructural para equipamientos de
tipología central y de tipología axial (Autor)…………………………………………………..78
Figura 121: Planta general de la morfología estructural propuesta inicialmente (Autor)……………………………….…………………………………………………………….79 Figura 122. Vista general esquema de la morfología estructural propuesta (Autor)…….79 Figura 123. Esquema de fachada longitudinal propuesta (Autor)………………………….80 Figura 124. Esquema de elementos portantes y rigidizadores que complementan la estructura para incrementar su estabilidad (Autor)………………………………………......80 Figura 125. Esquema de amarres propuestos para unir los elementos portantes y los rigidizadores a la estructura principal conformada por los arcos Hidalgo (2003)…………81 Figura 126. Esquema de apoyos propuestos (Autor)……………………………………….82
Figura 127. Esquema de reacciones en los apoyos para un Arco Rebajado (Autor)……82
Figura 128: Esquema de reacciones en los apoyos para un Arco Parabólico
(Autor)………………………………………………………………………………………..……83
Figura 129. Esquema de acción de fuerzas en un arco parabólico, tomado de la
publicación Estudio de Cubiertas de Sebastián
Rojas……………………………………………..…………………………………………..…...83
Figura 130. Vista general, maqueta propuesta final de morfología estructural (Autor)…84 Figura 131. Vista general, maqueta vista en planta (Autor)………………………………..85
Figura 132. Espacialidad en el sentido longitudinal Arco rebajado (Autor)………...…….85 Figura 133. Espacialidad en el sentido transversal Arco parabólico (Autor)……………..86 Figura 134. Esquema planta general (Autor)………………………………………………...86
Figura 135. Planta general de la morfología estructural propuesta (Autor)………………87
Figura 136. ESQUEMA FACHADA PRINCIPAL (Corte Longitudinal) Morfología
estructural propuesta (Autor)…………………………………………………………………...88
Figura 137. FACHADA PRINCIPAL Corte Longitudinal (Autor)……………………………88
Figura 138. ESQUEMA DE FACHADA SECUNDARIA (Corte Transversal) Morfología estructural propuesta (Autor)…………………………………………………………………...89 Figura 139. FACHADA SECUNDARIA Corte Transversal (Autor)………………………...89
Figura 140. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS ETABS 2015 (Autor)……………………………90
Figura 141. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS ETABS 2015
(Autor)………………………………………………………………………………………….….91
Figura 142. Análisis de fuerzas axiales
(Autor)……………………………………………………………………………..………………92
Figura 143. Análisis en el eje 0 (la estructura está cargada sobre el eje 0 y el eje 1)
(Autor)……………………………………………………………………………………………..93
Figura 144. Análisis en el eje 1 (Autor)…………………………………………………….……………………………93
Figura 145. Análisis de flexión (Autor)………………………….…………………………….94
Figura 146. Análisis de esfuerzo cortante Fuente: Autor……….…………………………..95
Figura 147. Análisis en los apoyos para diseño de cimentaciones (Autor)…………….…96
Lista de Tablas
Pág.
Tabla 1. Comparación métodos para doblar el bambú. Maurina
(2015)……………………………………………………………………………………………..44
Tabla 2. Promedio de carga soportada y deflexión máxima obtenida por los elementos
ensayados
(Autor)……………………………………………………………………………………………..57
Tabla 3. Promedio de carga soportada y deflexión máxima obtenida por los elementos
ensayados luego de excluir el dato atípico mediante el criterio de Chauvenet.
(Autor)……………………………………………………………………….…………………....57
Tabla 4. Toma de datos durante el ensayo del contenido de humedad
(Autor)……………….………………………………………………………………………..…..60
Tabla 5. Calculo del contenido de humedad para cada una de las probetas
(Autor)……………………………………………………………………………………………..61
Tabla 6. Calculo de la densidad para cada una de las probetas
(Autor)……………………………………………………………………………………………..64
Tabla 7. Análisis estadístico de los datos obtenidos para la densidad básica en el
presente estudio (Autor)……………………………………………………………………...…65
Tabla 8. Análisis estadístico de densidad básica para las tres porciones del culmo,
Garzón (2016)…………………………………………………………………………………....65
Tabla 9. Medición de diámetros y espesores de las probetas a ensayar a flexión
(Autor)…….……………………………………………………………………………………….68
Tabla 10. Calculo del momento de inercia de todas las probetas
(Autor)………………………………………………………………………………..……………69
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Plantear el diseño de una morfología estructural en bambú Guadua angustifolia Kunth.
Para la construcción de equipamientos públicos con luces no mayores a 24 metros en
Colombia. Con el fin de brindar una alternativa eficiente al actual déficit de equipamientos
públicos que existe en Colombia.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Observar antecedentes de edificaciones construidas a partir de materiales
vegetales como el bambú y no vegetales como el hormigón, caracterizadas por la
exploración de la forma resistente y racional. Y posteriormente analizar sistemas
estructurales con el fin de identificar criterios formales y principios estructurales
aplicables a la Guadua angustifolia Kunth.
Realizar trabajo de campo con culmos de bambú Guadua angustifolia Kunth de
12 metros de longitud, con el fin de observar deflexiones, analizar el
comportamiento en la sobre basa del elemento y realizar ensayos de flexión,
contenido de humedad y densidad, con el fin de identificar condiciones a tener en
cuenta en la propuesta a plantear y establecer si el tramo superior de los culmos
de bambú Guadua angustifolia Kunth es apto para uso estructural.
Proponer el diseño de una morfología estructural en bambú Guadua angustifolia
Kunth para la construcción de equipamientos públicos con luces no mayores a 24
metros en Colombia.
Evaluar el comportamiento estructural de la morfología propuesta.
Introducción
“El bambú es un recurso natural con múltiples ventajas que se traducen en
oportunidades para la sociedad, la economía y el medio ambiente” (Lozano, 2012,
p. 19)
Debido a su crecimiento acelerado y a su resistencia mecánica, apropiada para usos
estructurales en la construcción, el bambú, fue uno de los primeros materiales que
utilizaron los hombres para procurarse abrigo, “existe evidencia que sugiere la utilización
del bambú por el Homo erectus en el sur de Asia, hace un millón de años” (Pope, 1989).
Así pues, éste es un material que ha permitido a diferentes comunidades en el mundo
especialmente en las zonas Tropicales de Asia, África y América la autoconstrucción de
estructuras habitacionales livianas, resistentes y económicas.
Figura 1.Sidamo House. Figura 2.Chencha House Construcciones hechas en bambú por la tribu
Dorze en Etiopía, África. Figura 3.The largest suspension bridge built with bamboo ropes over the
Min-chiang River at Kwan Hsien Conuntry China (Hidalgo, 2003).
Un aspecto interesante que se puede observar en las figuras 1, 2 y 3, es que en sus
inicios los resultados formales de las construcciones con bambú, eran producto de la
posibilidad estructural más evidente del material. Frente a su buen comportamiento a
tracción y compresión, los arcos, domos, catenarias, cubiertas inclinadas y cubiertas en
forma de tienda fueron bastante empleadas para lograr racionalidad y resistencia
estructural. Por otra parte, durante el siglo XX, ingenieros y arquitectos como Eduardo
Torroja (1899-1961), Félix Candela (1910-1997) y Frei Otto (1925-2015), entre otros, se
caracterizaron por la búsqueda constante de la forma resistente y racional con una
tendencia a cubrir cada vez mayores luces con menos material, y desde la
experimentación con materiales como el hormigón armado, lograron aportes importantes
al conocimiento (Songel, 2005).
Partiendo de lo anterior, es posible plantear que la profundización en la búsqueda de
estructuras racionales a partir de materiales naturales con potencial mecánico y
renovable como el bambú, puede representar un aporte importante al conocimiento y a la
sociedad, ya que teniendo en cuenta el actual déficit de equipamientos públicos que
existe en Colombia, generar alternativas eficientes para la construcción de los mismos,
podría ser un paso importante hacia un desarrollo sostenible. Razón por la que el
presente trabajo de investigación se enfoca en la optimización que la forma estructural y
su proceso de generación, pueden obtener del bambú Guadua angustifolia Kunth, para
proponer el diseño de una morfología estructural que a partir de un sistema constructivo
de fácil aplicación y montaje consiga hallar tal eficiencia constructiva y estructural, que
sea posible generar mediante su implementación, un impacto positivo al medio ambiente,
a la economía y a la sociedad.
1
Justificación
Equipamientos públicos como medios de desarrollo sostenible
en Colombia.
Desde el punto de vista de Manfred Max Neef, Elizalde y Hopenhayn (1994) El Desarrollo
a Escala Humana consiste básicamente en la satisfacción de las necesidades humanas
fundamentales en articulación con la naturaleza, la tecnología, la sociedad y el estado. A
su vez, plantea que la carencia de satisfacción de estas necesidades genera
problemáticas individuales y colectivas que afectan a toda la sociedad y a su relación con
el medio ambiente. Dichas necesidades humanas pueden clasificarse de acuerdo a
diferentes criterios como necesidades de subsistencia, protección, afecto, entendimiento,
participación, ocio, creación, identidad y libertad, entre otras; y según categorías
existenciales también pueden clasificarse en necesidades de Ser, Tener, Hacer y Estar.
En la matriz propuesta en la figura No. 4, se observa que los equipamientos públicos son
espacios y ambientes de encuentro, de interacción participativa y de educación; son
medios físicos transversales a la satisfacción de necesidades humanas fundamentales
dirigidas a lograr un desarrollo sostenible.
2
Figura 4. Matriz de necesidades y satisfactores tomada de DESARROLLO A ESCALA HUMANA
Conceptos, aplicaciones y algunas reflexiones cap. 2 Manfred Max-Neef, Antonio Elizalde y
Martín Hopenhayn.
Según el Departamento Nacional de Planeación (2012), en Colombia existe un déficit de
espacios públicos de todo tipo, lo que genera problemáticas individuales y colectivas que
afectan a toda la sociedad y a su relación con el medio ambiente. Sin embargo, existen
políticas globales y políticas locales, encaminadas a dirigir esfuerzos hacia un desarrollo
sostenible.
La estrategia Construir Ciudades Amables de la Visión Colombia 2019, plantea que para lograr una sociedad más justa y con mayores oportunidades será de gran importancia la consolidación de un espacio público accesible, adecuado y suficiente para la totalidad de los ciudadanos. (DNP, 2012, p. 18)
Por su parte el plan nacional de infraestructura educativa para la implementación de la
jornada única escolar, es una estrategia de política pública para lograr la calidad en la
educación. Y hace referencia al déficit de equipamientos públicos para la educación
estimado para el año 2014 en 51.134 aulas escolares a nivel nacional. También hace
3
referencia al efecto de ésta carencia en la brecha socio económica existente debido a la
falta de equidad y calidad en la educación que se imparte en las instituciones educativas
públicas, respecto a las instituciones educativas privadas, y plantea que la construcción y
mejoramiento de la nueva infraestructura educativa debe asegurar el mayor impacto, ser
pertinente y eficiente. Adicionalmente proyecta para el año 2025 en las zonas urbanas y
para el 2030 en las zonas rurales, que todos los niños colombianos puedan tener acceso
a una educación de calidad en una única jornada (DNP, 2015).
Por otro lado, para la construcción de toda la infraestructura necesaria específicamente
para mejorar la calidad de la educación pública en Colombia, se realizarán obras “bajo
estándares de construcción y arquitectónicos actualizados” (DNP, 2015). Es decir,
empleando sistemas constructivos tradicionales cuyo uso de recursos naturales y no
naturales generan un considerable impacto al medio ambiente, a la economía y a la
sociedad. Por otra parte, planteamientos como el enfoque de eco eficiencia realizado por
Braungart, Mcdonough, y Bollinger (2007) que consiste en la “Concepción y producción
de bienes y servicios que incorporan un beneficio ambiental, económico y social,
mediante la transformación de la industria humana en una fuerza regenerativa, que
busca un mundo en el que la producción y el consumo de bienes no solo es segura y
rentable, sino también ecológicamente enriquecedora y socialmente valiosa” (Braungart,
Mcdonough, y Bollinger, 2007, p. 15) permiten proponer que existe desde un enfoque de
eco eficiencia, la oportunidad de lograr grandes beneficios mediante la innovación en la
manera de abordar el ejercicio de la construcción.
En este sentido, “Existe una clara relación entre sostenibilidad y estructuras materiales,
como principio de una economía material basada en la utilización de configuraciones
físicas ventajosas” (Velasco, 2008).
Teniendo en cuenta lo anterior, se busca plantear una morfología estructural eficiente y
racional a partir de un material renovable y económico como es el bambú Guadua
angustifolia Kunth, para la construcción de equipamientos públicos en Colombia. Se
abordan la sostenibilidad y la innovación desde los conceptos planteados por Prahalad
(1995) y por Braungart, Mcdonough y Bollinger (2007), en los que la correlación entre
metabolismo técnico, que en éste caso serían los medios físicos para la construcción de
dichos equipamientos y el metabolismo biológico, cuyo material que garantiza el flujo
constante es el bambú Guadua angustifolia Kunth, pueda llegar a generar un mercado
4
ampliamente accesible en torno a satisfacer necesidades humanas fundamentales
diferentes a la vivienda (Figura 5).
Figura 5. Esquema conceptos de Desarrollo, Innovación y Sostenibilidad abordados desde los
planteamientos del Desarrollo a Escala Humana (Max Neef,Elizalde & Hopenhayn 1994), La
Riqueza en la Base de la Pirámide (Prahalad 1995) y De la Cuna a la Cuna (Braungart &
Mcdonough 2002),(Elaboración propia).
5
1. MARCO TEÓRICO
1.1 EL BAMBÚ
Los Bambúes son plantas conocidas como las gramíneas más grandes del mundo que
crecen en regiones tropicales de Asia, América y África cuya gran diversidad morfológica
va desde pequeños tallos herbáceos hasta bambúes de 30 metros de altura y tallos
leñosos (Londoño, 2002).
Son renovables en pocos años porque según Londoño (2002) “logran su máxima
resistencia en tan solo tres a cinco años de edad” y se puede decir que son plantas
extremadamente útiles ya que de acuerdo a las propiedades de cada especie y a la parte
del tallo que se utilice, se pueden aplicar como material de construcción, también se usan
en la fabricación de muebles, artesanías, papel, y de acuerdo a estudios realizados por la
Doctora Chongtham Nirmala (Felisberto, Ludovico, Teresa, & Silva, 2016). Respecto a
las propiedades nutricionales de los culmos de bambú, la fortificación de comida a partir
del bambú y el desarrollo de nuevos productos alimenticios a partir del bambú realizados
en India, el bambú también se puede utilizar como alimento y tiene propiedades
medicinales.
Como recurso natural, permite además de sus múltiples usos la reforestación para
ayudar a la preservación del equilibrio ecológico mundial y “también cumple una función
de limpieza del aire por captura de dióxido de carbono de la atmosfera, convirtiéndolo en
oxígeno” (Lozano, 2012)
“Se estima que existen aproximadamente 1500 especies diferentes de bambú
catalogadas en el mundo” (Yang & Hui, 2010, p.61). De las cuales 20 se consideran
adecuadas en la construcción.
Debido a su crecimiento acelerado y a su resistencia mecánica, apropiada para usos
estructurales en la construcción, el bambú, fue uno de los primeros materiales que
utilizaron los hombres para procurarse abrigo, “existe evidencia que sugiere la utilización
del bambú por el Homo erectus en el sur de Asia, hace un millón de años” (Hidalgo,
2003). Así pues, éste es un material que ha permitido a diferentes comunidades en el
6
mundo especialmente en las zonas Tropicales de Asia, África y América la
autoconstrucción de estructuras habitacionales livianas, resistentes y económicas.
En el mismo sentido Escamilla y Habert (2014), plantean que “Debido a sus propiedades
físicas y mecánicas las especies más utilizadas en construcción son Moso bamboo
(Phyllostachys edulis), bambú Guadua angustifolia Kunth y Dendrocalamus asper”
1.2 BAMBÚ Guadua angustifolia Kunth
Esta es la especie de bambú más utilizada en Colombia para la construcción y es la
única incluida como elemento estructural para el diseño de estructuras sismo resistentes.
Su diámetro generalmente es de 10 a 14cm, la altura de los culmos de 17 a 23m y
por características como durabilidad y resistencia se considera una de las mejores
especies en el mundo, adecuada para ser empleada en la construcción (Hidalgo,
2003). Respecto a los beneficios ambientales, “en comparación con otras especies, tiene
el valor agregado de proporcionar estabilidad, fertilidad y controlar la humedad del suelo,
proteger y recuperar afloramientos de agua, y convertir el dióxido de carbono de la
atmósfera en oxígeno” (Lozano, 2012).
En las especies gigantes de bambú como Guadua angustifolia Kunth, el crecimiento
natural se da de manera vertical y la rectitud es predominante, sin embargo, la parte
alta del tallo tiene tendencia a curvarse y a ser más flexible debido a que la longitud
de sus entrenudos varía a lo largo del culmo, su forma es cónica, y el espesor de sus
paredes se reduce de la raíz a la punta (Hidalgo, 2003).
En Colombia se utilizan para fines estructurales en la construcción, generalmente, la
parte baja y media de los culmos conocidas como cepa y basa, de 4 a 6 años de
edad. Mientras que la parte superior conocida como sobre basa, tiene fines no
estructurales debido a que generalmente no cumple con requisitos de la norma,
referentes al porcentaje máximo permitido de conicidad y el que hace referencia a la
curvatura de los elementos, de acuerdo al Reglamento Colombiano de Construcción
Sismo Resistente NSR-10 (2010), “Las piezas de guadua estructural no pueden
presentar una deformación inicial del eje mayor al 0.33% de la longitud del elemento”. Lo
que significa que si un culmo de 12 m de longitud tiene una curvatura mayor a 39.6cm
respecto a su eje longitudinal, no es apto como elemento estructural.
7
Esto implica en la actualidad el desaprovechamiento de una gran cantidad de material
que probablemente cuenta con la resistencia mecánica requerida para usos estructurales
y que además tiene la posibilidad de adquirir diferentes formas ya que de acuerdo con
estudios realizados por Sioti Uno (1930), la parte alta del culmo es más resistente a
flexión y a compresión que las partes baja y central del mismo.
A diferencia de Colombia, el país que más provecho ha sacado de la flexibilidad de sus
especies en la construcción de cubiertas y de diferentes tipos de estructuras para
templos y viviendas ha sido India, particularmente durante la edad Védica, lo cual fue
hace más de 4000 años. En ese tiempo los constructores Hindúes descubrieron que la
parte alta del culmo, era más resistente a compresión que la parte baja o la parte basal, y
con el fin de tener curvas más llamativas ellos ubicaban los culmos al revés para formar
lo que llamaban “el arco de loto” que generaba el “domo de loto” entre otros
característicos de la arquitectura tradicional en India (Hidalgo, 2003). (Ver Figuras 6 y 7).
Figuras 6 y 7. Domo de loto representativo de la arquitectura tradicional de bambú en India
(Hidalgo, 2003).
“La resistencia a compresión del culmo incrementa con la edad y con la altura del
elemento” (Hidalgo, 2003).
8
1.3 FORMA Y EFICIENCIA ESTRUCTURAL
Teniendo en cuenta que el sector de la construcción es uno de los principales
responsables de los altos niveles de contaminación en el planeta, en la actualidad existen
diferentes alternativas desde éste sector para abordar la sostenibilidad, por citar algunos
de ellos, están la búsqueda de nuevos materiales, la reducción en el uso de energía y el
uso de materiales renovables como la guadua como sustituto de la madera para reducir
la deforestación. Por otra parte, y desde una visión global de la arquitectura en
concordancia con la naturaleza, la búsqueda de eficiencia y racionalidad estructural
mediante la exploración formal, es también un medio para abordar la sostenibilidad en
términos económicos y ambientales. En este sentido, es importante analizar la relación
entre estructura, forma y material.
Durante el siglo XX ésta relación no fue estudiada de manera aislada por ingenieros y
arquitectos, de hecho fue un tema de interés para vanguardias artísticas como la
Bauhaus, un ejemplo de esto fue el curso preliminar de Josef Albers, cuyo objetivo era
investigar la relación entre forma y material de una manera experimental, se llegaba a
diferentes procesos de creación de la forma mediante pliegues o curvaturas para rigidizar
materiales flexibles como el papel. De acuerdo con el relato de un alumno del curso,
“Albers entraba en la sala con un montón de periódicos bajo el brazo que mandaba
repartir entre los estudiantes… ‘Señoras y señores, somos pobres, no ricos. No podemos
permitirnos malgastar material ni tiempo. Debemos convertir lo peor en lo mejor. Cada
obra de arte cuenta con un material de partida y, por tanto, primero debemos investigar
cómo está hecho este material. Para ello, primero deberemos experimentar, sin
confeccionar nada. En estos momentos preferimos la habilidad a la belleza. (…) Piensen
que en general conseguirán más cuanto menos hagan. Nuestro estudio debe fomentar el
pensamiento constructivo. (…) Ahora quiero que tomen los periódicos que les he dado y
los conviertan en algo más de lo que son ahora. También quiero que respeten el material,
que lo configuren de forma razonable y que tomen en consideración sus propiedades”
(Songel y Otto, 2005)
9
1.4. EXPLORACIÓN DE LA FORMA RESISTENTE Y RACIONAL
DURANTE EL SIGLO XX
Hensel (2008) afirma que “el estudio de la relación entre fuerza y forma estructural,
empezó en el siglo XVII”, con la comprensión de la catenaria y su correspondencia con el
arco. Sin embargo fue durante el siglo XX que tuvo lugar una fuerte exploración de la
relación entre forma, fuerza y masa, y la combinación de diseño, ingeniería y experiencia
en la construcción tanto de ingenieros como de arquitectos, esto dio como resultado
aportes significativos que hoy en día se siguen estudiando. Una característica especial
de dicha exploración estructural la expresa Javier Manterola, citado por Songel y Otto
(2005. p. 24): “Los buenos diseños no son el resultado de una interpretación formal del
hecho resistente, sino que deben ser el descubrimiento de su esencia. En el fondo lo
resistente tiene la exigencia de ser desvelado formalmente. No es algo interpretable, es
algo por descubrir, que está ahí y que debemos tener el talento de traducir en formas”.
Haciendo referencia de esta manera a que la forma debe ser la consecuencia del hecho
resistente.
La incursión del hormigón armado y la condición plástico - líquida de este, potencializó la
expresión de lo que en 1983 David P Billington definió como “Arte estructural”, concepto
con el cual Hensel (2008) hace referencia al potencial de un material que empleado en
estructuras de formas eficientes, permite además de una economía de medios, una
amplia exploración estética. A continuación se hace un breve análisis de algunas obras
de los exponentes más innovadores en la integración entre estructura y forma en el siglo
XX:
Robert Maillart (1872-1940)
Al comparar dos de sus primeras obras, el puente Stauffacher de 1899 (Figura 8) y el
puente de Zuos de 1901 (Figura 9), se puede evidenciar que el primero se caracteriza
por la separación de unos elementos que sostienen y otros que son sostenidos (Figura
10). Mientras que en el segundo (Figura 11), la conformación de una estructura de cajón
alveolar para una bóveda hueca construida en un material como el hormigón que integró
todos los elementos, reveló la conformación de un sistema en el que todas las partes
contribuyen activamente en la transmisión de todas las cargas.
10
Figura 8. Puente Stauffacher (Songel, 2005).
Figura 9. Puente de Zuoz (Songel, 2005).
Figura 10. Esquema constructivo Puente Stauffacher (Songel, 2005).
Figura 11. Esquema constructivo Puente de Zuoz (Songel, 2005).
Esto hizo visible la posibilidad de reducir masas y la posibilidad de crear sistemas
capaces de soportar cargas más por la forma que por la masa. Característica que
continuó evolucionando en sus siguientes obras, cuyo valor estético está en las
soluciones aparentemente sencillas para requerimientos estructurales de gran
complejidad. Lo cual de acuerdo con Songel y Frei Otto (2005), es un salto cualitativo
que va de las masas inertes a las masas activas.
Figura 12. Puente Salginatobel. Figuras 13 y 14. Puente Schwandbach. Robert Maillart (Songel, 2005).
11
Salto cualitativo que no solo fue planteado por Robert Maillart en sus obras, Puente
Salginatobel (Figura 12) y Puente Schwandbach (Figuras 13 y 14), si no también en
estructuras para edificaciones que pasaron del sistema Hennebique para estructuras de
edificación caracterizado por la presencia de elementos inertes como las losas que son
sostenidas, por elementos activos como vigas y pilares (Figura 15), a la transformación
de las losas en elementos activos al trabajar conjuntamente con columnas fungiformes,
que hicieron posible prescindir de las vigas (Figuras 16 y 17).
Figura 15. Sistema Hennebique para estructuras de edificación. Figuras 16 y 17. Esquema de losas fungiformes (Songel, 2005).
Eugéne Freyssinet (1879-1962)
En 1928 patentó el hormigón pretensado y en su obra para los hangares gemelos para
dirigibles construidos en Orly en 1923 (Figuras 18 y 19). La solución innovadora para
cubrir una luz de 70 metros y un galibo de 50, consistió en la construcción de un arco
parabólico, cuyo elemento rigidizador consistía en pliegues transversales de láminas
delgadas de hormigón armado (Figura 20). Para Songel y Frei Otto (2005) también es un
ejemplo de las posibilidades de un material y su integración con la forma y la estructura.
12
Figuras 18 y 19. Hangares gemelos para dirigibles construidos en Orly en 1923. Eugéne Freyssinet. Figura 20. Pliegues transversales de láminas delgadas de hormigón armado, elemento rigidizador para la estructura de los hangares gemelos para dirigibles construidos en Orly en 1923. Eugéne Freyssinet (Songel, 2005).
Eduardo Torroja (1899-1961)
El Frontón Recoletos en Madrid de 1935, proyectado con el arquitecto Secundino Zuazo
es un ejemplo más de integración, en el cual según Songel y Otto (2005) la curvatura es
nuevamente el principio estructurador de la forma resistente, ya que una delgada lamina
al ser curvada funciona como una viga longitudinal en el sentido de las generatrices.
13
Figuras 21, 22 y 23. Frontón Recoletos en Madrid 1935
Secundino Zuazo (Songel, 2005).
Eladio Dieste (1917-2000)
Las bóvedas gausas son su innovación formal más destacada ya que mediante la
implementación formal de doble curvatura y el uso de la cerámica armada, es decir
bloque tradicional de ladrillo más armadura y mortero, permiten generar una cubierta
laminar, en la que el peso propio produce compresión simple y ondular la sección
longitudinal contrarresta la flexión y el pandeo (Figuras 24 y 25). Sumado a esto, algo
que le da mayor valor a sus obras es el ingenio para incrementar las posibilidades de un
material tradicional e importante para la cultura del país donde se produce (Songel,
2005).
14
Figuras 24 y 25. Bóvedas gausas. Eladio Dieste (Songel, 2005)
Frei Otto (1925-2015)
El gran aporte de Frei Otto (2005) es fruto de:
“la observación de fenómenos físicos que dan lugar a procesos de autogeneración
de la forma”, sus experimentos con burbujas de jabón, las membranas de fluidos
viscosos y pliegues, y su participación en diferentes programas de investigación
como el “SFB 64” en 1969, y el “SFB 230” en 1984, entre otros. Cuyos temas de
estudio eran las estructuras ligeras de grandes luces y las estructuras naturales
respectivamente, buscando hallar más ligereza en las estructuras que la permitida
hasta ese momento por las cascaras delgadas de hormigón, lo llevó a la
conclusión de que la tracción juega un papel fundamental para obtener economía
y eficiencia estructural, encontrando en las estructuras de cables de acero y
membranas, la opción de cubrir mayores luces con menor peso propio de la
estructura, lo que dio continuidad a la tendencia previa de “austeridad de formas y
economía de medios” (Songel y Frei Otto, 2005. P83) (Ver Figura 26).
15
Figura 26. Estadio Olímpico de Múnich (Frei Otto, 2014)
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31724296
De este breve recorrido por los principales exponentes de la construcción durante del
Siglo XX se puede concluir que tanto la catenaria, su correspondencia con el arco, sus
posibles variaciones y los pliegues, son elementos que permiten lograr formas
estructurales bastante eficientes y con unos valores estéticos igual de importantes.
1.5. EFICIENCIA EN LAS FORMAS DE LA NATURALEZA
Para Songel y Frei Otto (2005) “todas las formas de vida adquieren energía y materiales
de su entorno y los transforman dentro de sus cuerpos para construir sus tejidos, crecer,
reproducirse y sobrevivir. Los procesos metabólicos tienen relación con la masa
corporal, de este modo, el flujo de energía y la estabilidad estructural son determinantes
esenciales del plan corporal.” Por ésta razón, el estudio de los metabolismos naturales es
un recurso importante para el diseño de estructuras ya que evidencia claramente la
eficiencia y racionalización en la integración de medios para capturar y transmitir energía.
“En términos de procesos mecánicos, tanto las estructuras de la naturaleza como las de
la técnica desvían las solicitaciones para conservar una forma determinada que posee
una relación determinada con la función. Ambas lo realizan según dos principios básicos:
Flujo de fuerzas y estado de equilibrio” (Engel, 1997)
16
En el mismo sentido Engel (1997) plantea que “debido a ésta concordancia causal e
instrumental, las estructuras de los objetos naturales son modelos legítimos de
comparación para el desarrollo de estructuras técnicas. Sobre todo son fuentes
importantes de conocimiento de las relaciones entre función, forma y estructura”
Si se analiza por ejemplo la forma de los árboles y la estructura ósea de animales y de
humanos, es posible determinar conforme “el tamaño, las proporciones y la conformación
general, en donde cada elemento tiene la cantidad de material exactamente necesario
para la función que cumple, elevando al máximo la racionalización”
17
2. MORFOLOGÍAS ESTRUCTURALES
Para Songel y Frei Otto (2005) al procurar sostener una hoja de papel por un extremo en
posición horizontal, ésta se dobla, pero al plegarla, ésta puede resistir su peso propio y
cierto peso adicional, simplemente por la forma”
“Según la forma que le demos a cada elemento estructural, será la respuesta interna del
material frente a las cargas externas, es por este motivo que debemos estudiarlas a partir
de la geometría”
2.1 ESTRUCTURAS Y SISTEMAS ESTRUCTURALES
Como lo plantea Engel (1997) La Estructura es el medio fundamental para configurar el
entorno material porque se encarga de contrarrestar las fuerzas que amenazan la
consistencia de la forma y su finalidad y los criterios primordiales de cualquier diseño
estructural son el funcionamiento mecánico, las leyes de espacio y forma y el potencial
de diseño formal. Adicional a éste que es su fin principal, “la estructura debe cumplir la
función de organizar, dar sentido, estructurar la totalidad. La estructura deberá sostener
estática y estéticamente la composición.
Las exigencias básicas de una estructura óptima son: Equilibrio, Estabilidad, Resistencia,
Funcionalidad, Economía y Estética.
Por otro lado, un Sistema, “puede definirse como la unión de partes interrelacionadas o
interdependientes que forman un conjunto más complejo y unificado al servicio de un
propósito común”. Engel (1997) a su vez define Un Sistema Estructural como “la unión
estable de elementos diseñados para que funcionen como una unidad que soporta y
transmite al terreno las cargas correspondientes, de una forma segura y sin exceder la
resistencia de cada uno de los elementos”.
Por su parte, el mismo autor, propone una clasificación para los sistemas de estructuras
descrita a continuación:
18
1. ADAPTACIÓN son estructuras De Forma Activa que trabajan adaptando su forma
física a los esfuerzos. Trabajan en estado tensional de un solo signo: tracción o
compresión.
2. DIVISIÓN son estructuras De Vector Activo que trabajan por la combinación de
barras en estado de compresión y tracción en estado tensional cooperativo:
tracción y compresión
3. ENCAJONAMIENTO son estructuras De Sección Activa que trabajan mediante
su sección y la continuidad de su materia en estado de flexión: tracción,
compresión y flexión
4. DISPERSIÓN son estructuras de Superficie Activa que trabajan mediante la
extensión o la forma de su superficie en un estado tensional de superficie: fuerzas
de membranas (tracción, compresión y torsión)
5. RECOGIDA Y GUIADO son estructuras de Altura Activa condicionadas a
construcciones en altura que trabajan sin estado tensional típico. (Ver Figura 30).
Otro planteamiento importante de Engel (1997), se refiere a “las tres características
fundamentales de toda estructura: Flujo de Fuerzas, Geometría y Material”.
19
Figura 27. Visión general, Esquema de ordenación, Clasificación Genealogía de las estructuras en la edificación
Sistemas de estructuras (Engel, 1997).
De acuerdo con Diez (2006), “las estructuras de Forma Activa son los sistemas más
económicos para cubrir grandes luces atendiendo a la relación Luz-Peso”. Del mismo
modo, para Engel, existe una relación directa entre el recorrido de las cargas y la
rentabilidad de la estructura y en este sentido plantea que tanto el arco funicular como el
cable suspendido, son eficientes debido a que permiten cubrir grandes luces con el
mínimo de material, gracias a su capacidad de transmitir cargas de manera natural.
Velasco (2008), por su parte plantea que la manera más simple de transmitir cargas
transversales distribuidas a apoyos distantes es mediante el uso de la curvatura en el
diseño de la sección longitudinal.
20
2.2 SISTEMAS ESTRUCTURALES DE FORMA ACTIVA
Son aquellos que actúan por medio de su forma, en palabras de Diez (2006) esto quiere
decir que “su forma es la expresión del camino que recorren las cargas, o en otras
palabras, la forma está determinada por las cargas que resiste”
“Los estados de solicitación interna de estos sistemas pueden ser: Tracción pura y
Compresión dominante”.
Estructuras de Tracción pura son aquellas que solo están solicitados a esfuerzos
internos de tracción.
Mecanismo de desviación de cargas
Para Diez (2006) un cable se deforma de acuerdo a las variaciones de la carga aplicada,
y tomara la forma de una curva si la carga aplicada es uniformemente distribuida y la
forma de una parábola si las cargas no son aplicadas uniformemente.
Figura 28. Esquema de cargas para una curva y una catenaria. DISEÑO ESTRUCTURAL EN ARQUITECTURA (Diez, 2006).
21
2.3 ESTRUCTURAS DE ARCOS
ARCOS DE GRANDES LUCES
No existe una definición específica para determinar a partir de qué medida se considera
una estructura de grandes luces, sin embargo, de acuerdo con Francis D.K. Ching, se
considera como estructura de grandes luces toda aquella que tenga una luz superior a
18m.
2.3.1 ARCOS EMPOTRADOS
Son elementos continuos y conectados rígidamente a sus dos soportes. Este tipo de arco
resiste momentos de flexión a lo largo de su longitud y en sus dos apoyos, generalmente
tiene mayor sección en los soportes y un progresivo adelgazamiento hacia la clave. En la
mayoría de los casos están construidos en metal o concreto.
2.3.2 ARCOS RÍGIDOS
Son estructuras curvas rígidas de madera, acero u hormigón armado, cuyo
comportamiento estructural es similar al de los pórticos rígidos, la sección en las
articulaciones ubicadas en los apoyos puede ser menor mientras que en la clave del
arco, debido a que las flexiones son mayores, la sección también deberá ser mayor.
Debido a que este arco solo es rígido en su propio plano, se requieren diafragmas para
rigidizarlo perpendicularmente.
2.3.3 ARCOS BIARTICULADOS
“Son estructuras continuas, con dos articulaciones en sus apoyos, las cuales permiten
que el arco rote ligeramente como una unidad cuando entra en carga y que se flexione
levemente cuando se dilate o contraiga por cambios de temperatura”. Estos sistemas se
construyen en madera laminada, cerchas de madera, acero y hormigón armado.
2.3.4. ARCOS TRIARTICULADOS
“Son la unión de dos secciones rígidas conectadas entre sí en la clave del arco y
articuladas en su base. Son más sensibles a la flexión que los arcos empotrados o
22
biarticulados, pero se ven menos afectados por los asentamientos en los soportes o los
cambios de temperatura”.
Teniendo en cuenta que una estructura sometida a tracción pura se deforma según su
estado de cargas, es decir que tiene una condición importante de adaptabilidad, se
requiere para su conformación, de materiales que sean muy resistentes a tracción, que a
su vez sean flexibles y poco extensibles. Todas ellas, son características de la Guadua
angustifolia Kunth.
En general estas estructuras están expuestas a efectos externos como el viento que
pueden desestabilizarla e incluso llegar a invertir la forma de la cubierta. Una opción para
contrarrestar este efecto es aumentar el peso propio de la estructura, y la otra es
pretensarla. Diez (2006) expone que para pretensar la estructura sin modificar el aspecto
formal, se debe emplear doble curvatura total negativa o familias de cables.
Teniendo en cuenta que uno de los objetivos principales es hallar la mayor economía de
medios posible mediante el aprovechamiento formal, se descartan las familias de cables
por ahora.
2.4 OTRAS OPCIONES FORMALES
De acuerdo a Diez (2006) las estructuras de doble curvatura total negativa son:
Paraboloides Hiperbólicos, Hiperboloide de revolución y Conoides.
23
Figuras 29, 30, 31, 32 y 33. Paraboloides hiperbólicos Félix Candela (Songel, 2005).
Por otro lado existen relaciones entre los diferentes sistemas estructurales que mediante
adiciones y variaciones generan nuevas combinaciones estructurales, ejemplo de esto en
la exploración gráfica y experimental de Frei Otto (2005), son las formas de redes
bidimensionales o redes de doble curvatura, resistentes a tracción y las redes soportadas
por arcos.
24
2.5 COMBINACIONES DE SISTEMAS ESTRUCTURALES
Para emplear doble curvatura total negativa, también existen las estructuras de redes, las
cuales son estructuras de mallas resistentes a tracción y flexibles y hacen parte del grupo
de Sistemas Estructurales de Superficie Activa
De acuerdo con la clasificación de redes empleada por Frei Otto (2005), dos de las
categorías para agrupar las estructuras de redes son de acuerdo a su forma y de
acuerdo a las fuerzas internas que las afectan.
De acuerdo con su forma están las unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales.
Figura 34. Clasificación de redes de acuerdo a la forma, planteada por Frei Otto (Songel, 2005).
Figura 35. Clasificación de redes de acuerdo a las fuerzas internas que la afectan: Sin tensión, es decir flotantes (A), Libremente suspendidas (B) y Pretensadas (C).
Planteada por Frei Otto (Songel, 2005).
Se puede decir que la red hace las veces de tensor para los arcos
25
Para Songel y Frei Otto (2005) “Las redes pretensadas pueden ser planas o anticlásticas,
pero no sinclásticas, a no ser que sean redes tensadas neumáticamente”
Teniendo en cuenta las ventajas más importantes de la implementación de sistemas
estructurales de forma activa, los cuales permiten obtener grandes luces sin apoyos
intermedios, estabilidad, liviandad que a su vez implica economía de materiales y la
posibilidad de utilizar sistemas industrializados de construcción; y que para lograr
grandes luces con menos material, se requieren estructuras de arcos que a su vez se
pueden combinar con redes para incrementar el desempeño a tracción de la estructura y
que la forma óptima de trabajar dichas redes combinadas con los arcos, son aquellas de
doble curvatura anti clástica.
Se considera realizar el planteamiento de diseño para la morfología estructural en
guadua a partir de estos elementos, una vez se compruebe mediante el análisis de
algunas construcciones similares en guadua que los principios antes mencionados, son
aplicables a éste material.
26
3. ANÁLISIS DE REFERENTES
3.1 CLASIFICACIÓN DE CONSTRUCCIONES EN BAMBÚ
ROLLIZO.
De acuerdo con Widjowijatnoko (2012), una posible clasificación sería organizarlas por la
forma en que se construye con bambú y plantea tres categorías:
3.1.1. CONSTRUCCIONES CONVENCIONALES Y CONSTRUCCIONES SUSTITUTAS
(Widyowijatnoko & Trautz, 2009)
En la primer categoría están las construcciones vernáculas que se describieron al inicio
de éste trabajo. En la segunda, están las construcciones que actualmente se llevan a
cabo en bambú, pero que hasta hace poco han sido construidas en materiales
resultantes de tecnologías como el concreto y las estructuras metálicas, algunos
ejemplos son el uso de fibras de bambú como refuerzo para el concreto, el uso del
bambú rollizo empleando la lógica de la construcción de estructuras espaciales con
elementos metálicos y el uso del bambú laminado que incluso podría reemplazar la
construcción con madera.
3.1.2. CONSTRUCCIÓNES VERNÁCULAS Y TRADICIONALES CON BAMBU
El concepto de arquitectura vernácula, se usa para distinguir los edificios construidos por
constructores empíricos de un modo informal de aquellos diseñados por arquitectos.
Para Widyowijatnoko (2012) la diferencia entre la arquitectura vernácula y la tradicional
está en que en el pasado el uso del bambú estuvo destinado a aplicaciones estructurales
en las construcciones vernáculas y por el contrario a usos no estructurales en las
construcciones tradicionales debido a que para ese momento aún no estaba resuelto el
tema de la inmunización y por lo tanto la durabilidad no podía ser garantizada, y de este
modo eran concebidas como construcciones temporales.
27
Figuras 36, 37 y 38. Ejemplos de construcciones vernáculas en bambú hechas en Colombia y
América (Hidalgo, 2003).
Las construcciones tradicionales están basadas en una larga historia de experiencia
empírica, y algunas conexiones se consideran “conexiones originales de bambú” porque
no pueden ser aplicadas a otros materiales. Un ejemplo es la unión más común llamada
boca de pescado con una correa que amarra el elemento perpendicular empleando fibra
de coco o fibra de bambú.
Figura 39. Fish-mouth joint with vended thin strap and lashing (after Dunkelberg 1985)
Figura 40. Fish-mouth joint with two pinned flanges (courtesy of Benjamin Brown)
Las conexiones acopladas o encajadas y a la vez amarradas, son conocidas como las
más antiguas formas de uniones. A pesar de ser una unión simple, ellas son muy
eficientes, como lo plantea Widyowijatnoko (2012) debido a la fricción entre el bambú que
encaja y el que lo recibe, además de la fibra que lo amarra.
En muchos de los edificios tradicionales de bambú, la estructura está formada de cañas
rectas, que están casi siempre bajo esfuerzos de compresión y flexión. Una razón es que
a pesar de que el bambú tiene una alta resistencia a tracción era difícil unir los culmos
28
para maximizar el uso de esa fuerza, usando un elemento como la fibra natural para
amarrarlo.
Figura 41. Traditional bamboo gazebo in Indonesia with positive fitting and lashing joint
(Courtesy of AMURT)
Figura 42. Planar frame in common vernacular bamboo
construction (Courtesy of AMURT)
Uniones Acopladas o Encajadas
Otra característica de la construcción convencional en bambú es la existencia de
excentricidades de transferencia de cargas en la unión debido a la dificultad de conectar
muchos culmos en un solo punto.
Figura 43. Entalladuras o cortes típicos realizados por los constructores empíricos para la unión
de elementos en guadua (Hidalgo, 2003).
29
3.1.2.1. REFERENTE No.1: Pabellón de Deportes de Bambú para la Escuela
Internacional Panyaden / Arquitectos Chiangmai Life Construction
Este Pabellón de deportes de 782 metros cuadrados construido en bambú para la
Escuela Internacional Panyaden de Tailandia, tiene capacidad para 300 estudiantes;
algunos de los requisitos principales para su construcción era la utilización de solo
bambú para mantener una baja huella de carbono, razón por la cual el diseño estructural
se basó en un entramado prefabricado de bambú con una extensión de más de 17
metros sin refuerzos de acero o conexiones, los cuales fueron pre-construidos en el sitio
y elevados mediante una grúa. El bambú fue tratado con sal de bórax. Por otro lado, al
interior del espacio, se pueden albergar, futsal, baloncesto, voleibol y canchas de
bádminton, así como un escenario y espacio para los expectadores de los diferentes
eventos deportivos o espectáculos.
La estructura soporta además de las cargas vivas y muertas, vientos locales de alta
velocidad.
44
45
30
46
49
50
47
51
52
48 53
Figuras 44 - 53. Pabellón de Deportes de Bambú para la Escuela Internacional Panyaden / Chiangmai Life Construction (Alberto Cosi, Markus Roselieb, 2017).
31
3.1.2.2. REFERENTE No.2: Resort Bahía Vietnamita. Vo Trong Nghia Architects (En construcción)
El complejo tiene capacidad para 160 personas, consta de cinco cabañas, un restaurante
y un pabellón, las estructuras se construyen utilizando las técnicas de amarre
tradicionales de bambú vietnamita que consiste en empapar las barras de bambú (Tam
Vong) en fango y después ahumarlas. Luego éstos vástagos se instalan utilizando clavos
de bambú y se atan con cuerda. Estos bastidores se montan primero en el piso y luego
se erigen para lograr un mejor acabado y reducir el tiempo de construcción. Un techo de
paja cubre las chozas.
54
55
56
Figuras 54, 55 y 56. Resort de bambú en bahía vietnamita Vo Trong Nghia Architects. (En construcción).
En los referentes No. 1 y 2, se puede apreciar que en la actualidad existe una gran
variedad de construcciones en bambú que eligen seguir empleando técnicas
tradicionales de construcción con bambú para aplicaciones formales y estructurales que
son modernas y lo más interesante en ambos casos es que a pesar del uso público del
espacio, el cual determina una luz y altura considerables, no se utilizaron refuerzos
metálicos ni conexiones para la estructura, solo técnicas tradicionales de agrupación y
amarre de elementos.
32
3.1.3 CONSTRUCCIONES CONVENCIONALES DE BAMBÚ CON INGENIERIA
Basado en las técnicas convencionales de construcción en bambú, muchos arquitectos,
artistas e ingenieros han promovido usos científicamente aceptables para este material.
Cálculos básicos han llevado a determinar la resistencia y constructividad de las
edificaciones en bambú. Básicamente consiste en el uso de uniones atornilladas con o
sin mortero de inyección y el uso de un taladro. Como afirma Widyowijatnoko (2012) este
tipo de uniones son fáciles de trabajar y son durables, adicionalmente, la mayor
innovación de este sistema fue permitir el trabajo de las estructuras en más de un plano.
Según Widyowijatnoko (2012) las construcciones de este tipo particular son en su
mayoría, edificios sencillos de forma simple porque su belleza está en los detalles y en la
repetición de los planos, y de los elementos, de modo que si el edificio tiene una forma
complicada, la estructura o el detalle podrían ser redundante.
3.1.4. CONSTRUCCIONES SUSTITUTAS
Para Widyowijatnoko (2012) muchos tipos de construcciones con muchas clases de
materiales existen hoy y como se ha mencionado, gran parte de esos materiales son
producidos con un alto costo energético y ambiental arriesgando la disponibilidad de los
recursos en contravía de lo que sería un desarrollo sostenible. La idea de reemplazar
esos materiales con bambú más allá de lo convencional es la razón por la que se llaman
a estas construcciones, sustitutas.
Figuras 57 y 58. Estructuras espaciales planteadas en bambú rollizo (Widyowijatnoko, 2012).
33
Teniendo en cuenta que primero, las estructuras espaciales tienen las mejores
propiedades geométricas para resistir y cubrir grandes áreas con pocas columnas
(Ghavami & Moreira, 1993), son una respuesta a la demanda de estructuras eficientes,
adaptables y duraderas y están pensadas para trabajar a tracción o compresión sin
excentricidades en la transmisión de cargas. Y segundo, el comportamiento mecánico
del bambú en estado rollizo es equiparable a un elemento tubular metálico, El punto
crítico está en las uniones para lograr un desempeño satisfactorio. Según lo expone
Widyowijatnoko (2012) es importante determinar la longitud del elemento y del inter nodo.
Comparado con la construcción convencional, las estructuras agrupadas en ésta
categoría son muy eficientes en términos mecánicos y ambientales por el uso del bambú,
sin embargo aún representan un alto costo económico específicamente las para
estructuras espaciales, lo que significa que aún hace falta innovar para lograr mayor
eficiencia en todos los aspectos.
Figuras 59 y 60. Bamboo space structure by architect Leiko Motomura (Source: Amima).
(Widyowijatnoko, 2012).
Algunos ejemplos expuestos por Widyowijatnoko (2012) sobre el uso del bambú como
elemento a tensión de una estructura espacial en combinación con materiales metálicos.
34
3.1.5. REFERENTE No.3: Three Mountains Project, Bali. Arq. Jorg Stamm (2001).
A tensión se puede transferir toda la carga como si un culmo de bambú fuera un cable de
acero. En palabras de Jorg Stamm: “Cuando me pidieron un techo de 30x 60 metros para
una fábrica en Bali, sabía que para cubrir las grandes luces de la cubierta se podrían
usar las vara enteras. Pero el conflicto presentaba la cercha en el centro que debía
generar suficiente altura para que el techo tenga buen desagüe. Meditando este
problema y mirando hacia el horizonte ví tres volcanes”
“Las torres tienen una capa interior de varas que giran hacia la izquierda y una
capa exterior que gira hacia la derecha. Estos cruces disminuyen la esbeltez de
cada poste y crean una sólida torre que soporta decenas de toneladas de peso.
Con este diseño similar a las gigantescas torres de enfriamiento de Plantas
eléctricas, se soporta un anillo en lo alto, fijando a un lado de las varas largas del
bambú. El otro se fija en una viga circular en la base. Las varas se trabajan a
tracción, como una carpa de circo, así que se debe usar algunos postes de la viga
como compresor sobre una viga de cimentación, otros como tensor anclado con
una varilla de 15 mm, embebida en mortero y amarrado dentro de una
cimentación pesada. Todas las uniones de la estructura son a base de pasadores
metálicos, cortados a ras de la superficie. No se ven, no se necesitan tuercas,
debido a la fijación con cemento en el interior del canuto”
En el mismo sentido Jorg Stamm (2001) plantea que: la cohesión de las varas de bambú
se garantizaba amarrándolas con las tiras de bambú, que son el alma del AlangAlang,
una forma tradicional Indonesia de techo de paja. El techo de estas tres torres tiene
características de una carpa y recuerda mucho al estadio olímpico en Munich”. En este
ejemplo se puede apreciar que el conjunto estructural a pesar de su inmenso tamaño de
cubierta es muy estable, debido las curvaturas anticlásticas.
35
61
63
64
62.
65.
Figuras 61-65: Three Mountains Project, Bali. (Jorg Stamm, 2001).
En el referente No. 3, se puede apreciar la combinación de técnicas tradicionales y
tecnológicas en cuanto a las uniones y anclajes que emplean mortero y varillas de acero
pero lo más interesante en este caso, es como la forma de la estructura permite tal
eficiencia estructural que a pesar de su inmenso tamaño de cubierta, se conforma un
conjunto estable mediante las curvaturas anticlásticas que resiste más por la forma que
por la masa (Jorg Stamm, 2001).
36
3.2 CLASIFICACIÓN DE UNIONES EN BAMBÚ
Lo anterior evidencia una marcada diferencia entre las uniones utilizadas en las tres
categorías de construcciones con bambú (las primeras con elementos naturales) algunas
están hechas por artesanos y otras por personas no tan especializadas en el oficio, estas
uniones se consideran “Uniones originales en bambú” debido a que según
Widyowijatnoko (2012) se hicieron considerando características muy específicas del
bambú, lo vacío de su interior y la flexibilidad de la fibra, de modo que no es posible
adaptarlas a otro material.
Luego de la implementación de las uniones atornilladas que aunque permitieron ampliar
el uso, no se diferenciaron significativamente del tipo de estructuras que se venían
construyendo (tradicionales y vernáculas), Posteriormente, con el desarrollo del diseño
estructural y la efectividad de la estructura espacial para edificios amplios, esto llamó la
atención de ingenieros y arquitectos para adaptar el bambú a este sistema estructural y
el desarrollo de las uniones se volvió crucial ya que se empezó a prestar especial
atención a proveer juntas adecuadas que cumplieran con los requerimientos propios de
este tipo de sistema estructural, y de este modo se diferenció de las uniones
tradicionales.
Así pues, de acuerdo con la clasificación de uniones propuesta por Widyowijatnoko
(2012), el primer paso en la agrupación de uniones como se aprecia en la figura 66, está
basado en cómo y dónde se instalan los conectores, y se divide en tres partes:
37
Conectado desde el
exterior del elemento
Perpendicular a las fibras
Insertado en el Interior
Figura 66. Clasificación de uniones propuesta por Widyowijatnoko (2012).
Muchas de las Conexiones exteriores, solo pueden ser adaptadas al bambú con la ayuda
de otros conectores perpendiculares para fijar el conector exterior, como tornillos o
también se pueden insertar elementos para transmitir esfuerzos al bambú mediante
corte. Un ejemplo de esto es el uso de un pin de bambú o de madera o una clavija para
fijar la posición del amarre en las uniones tradicionales. Según Widyowijatnoko (2012) el
elemento de unión más popular en la construcción moderna con bambú actualmente
sigue siendo el tornillo.
Insertar conectores tiene una gran ventaja estética ya que al aprovechar la cavidad del
bambú se obtiene una unión visualmente limpia. Puede ser una pieza de madera, de
metal, otro bambú con un diámetro menor para fijar el tornillo o una platina dentro del
bambú, y el elemento que prevalece es el mortero de inyección que previene el
aplastamiento en la región transversal.
A pesar de que existen muchas uniones para elementos en bambú y que estas juegan un
papel muy importante en las construcciones, no se presta mucha atención a ésta parte.
Aunque algunas publicaciones han tratado de clasificarlas en solo dos categorías:
uniones tradicionales y modernas, solo hay una clasificación clara realizada por Janssen
(2000). Su clasificación se hizo de acuerdo con los siguientes criterios:
38
4. Una unión entre dos culmos huecos de bambú rollizo puede estar en contacto entre
la sección transversal a un elemento de unión.
5. La fuerza puede venir de la parte interna de la sección transversal o de la parte
externa.
6. El elemento de unión, puede estar paralelo a las fibras o perpendicular a ellas.
Basado en estos criterios, Janssen (2000) clasifico las uniones de bambú en 8 grupos:
Grupo 1: Sección Completa
Grupo 2: Del interior a un elemento paralelo
Grupo 3: Del interior un elemento perpendicular
Grupo 4: De la sección transversal a un elemento paralelo
Grupo 5: De la sección transversal a un elemento perpendicular
Grupo 6: Del exterior a un elemento paralelo
Grupo 7: Del exterior a un elemento perpendicular
Grupo 8: Para bambú cortado (tiras).
Considerando que los grupos 3 y 7 tienen gran aplicación práctica y que el 8 no es
relevante en la construcción con bambú rollizo una clasificación diferente es propuesta en
los siguientes criterios por (Widyowijatnoko & Trautz, 2011):
Distinción por la forma en que se transfieren las cargas: Compresión a lo largo de
las fibras o perpendicular a las fibras, tracción, fricción en la superficie interior o
en el corte exterior.
Distinción en la posición del conector: Adaptado en el interior o en el exterior de
las cañas y adaptado en el sentido paralelo o perpendicular a las fibras.
Un tipo de conexión es considerada como una unión entre un bambú y su
conector o base de apoyo. Por ejemplo la unión entre dos bambúes puede
consistir en uno o dos tipos de unión. Esto es diferente en la clasificación de
Janssen, en la cual principalmente define una unión como conexión entre dos
bambúes.
39
Figura 67. Main categories of bamboo joints classification (Widyowijatnoko, 2012).
De acuerdo con estos principios, las uniones en bambú se pueden dividir en 6 grupos
principales y la mayoría de las uniones en bambú utilizan una combinación de esos
principios básicos y especialmente el grupo 1 se emplea para transferir compresión,
el grupo 2, 3 y 4, para transferir tracción. En el siguiente subcapítulo se describen las
principales categorías, seguido de las uniones con la combinación de esos principios
Grupo 1: Transferencia de compresión mediante el contacto de la sección
completa
Este grupo pertenece a las conexiones que transfieren compresión mediante el
contacto de la sección completa de la caña de bambú a lo largo de las fibras. En este
grupo solo la compresión es tenida en cuenta ya que prácticamente no hay
pegamento que se pueda usar en la sección transversal para sostener el bambú
frente a tracción. Sin embargo el pegamento no puede ser utilizado para cargas de
tracción porque las uniones pueden fallar sin indicaciones de sobrecarga.
40
Figuras 68 y 69. Transferencia de compresión simple (Widyowijatnoko, 2012).
Muchas columnas de bambú usan este principio debido a su trabajabilidad y resistencia.
Es la conexión más resistente a compresión. Algunas veces un anclaje de acero es
plantado en la cimentación y la otra parte en la cavidad del bambú. Ocasionalmente la
inyección de mortero se usa para estabilizar la posición horizontal del bambú para llenar
la cavidad. En la figura 93, las columnas están ubicadas sobre una piedra natural luego
de perforar la piedra y anclar el bambú con una barra de acero para anclarla.
En la figura 69 la unión en boca de pescado en el extremo o como sillín une dos
bambúes en una dirección perpendicular o en cierto ángulo específico, esta es una unión
en “T” en la cual un bambú es rodeado por la cavidad de otro. Principalmente aquí se
transfiere el peso de un bambú a la sección completa de otro. Un ejemplo típico de esto
son los aleros, vigas y pisos o postes. Hay muchas variaciones en estas uniones (boca
de pescado) para mejorar su capacidad de transferir cargas o fijar la posición de la viga
sobre la silla de montar pero la forma simple pertenece a este grupo.
Widyowijatnoko (2012) considera la unión más resistente y efectiva para transferir
compresión y este principio es empleado en la mayoría de combinaciones de uniones de
bambú.
Grupo 2: Transferencia de esfuerzos a través de la fricción de la superficie interior
o compresión del diafragma.
El bambú es naturalmente hueco, ésta característica es muy utilizada en las
construcciones de sustitución por bambú para instalar el conector de madera o de metal
en el extremo de la caña por dentro y dejar un conector, como resultado, este puede ser
41
unido a otro conector por medio de un sistema de unión común en las construcciones de
metal y madera. Pocas uniones usan conectores plásticos.
Figura 70. Expandable joint (izquierda) y unión de tubo metálico (derecha) propuesta por
Nienhuys después de Nienhuys, 1976.
3.3 DEFORMACIONES DEL BAMBÚ
DEFORMACIONES LONGITUDINALES NATURALES PRESENTES EN EL BAMBÚ ROLLIZO.
Para Hidalgo (2003) en las plantaciones de bambú se pueden encontrar diferentes tipos
de deformaciones longitudinales producidas por barreras que obstruyeron el proceso
natural de crecimiento. Algunos solo tienen una fuerte inclinación mientras que otros
toman curvas para evitar barreras y terminan de crecer verticalmente. Figuras 71 Y 72.
42
Figuras 71 Y 72. Deformaciones naturales del bambú (Hidalgo, 2003).
DEFORMACIONES ARTIFICIALES APLICABLES AL BAMBÚ ROLLIZO DURANTE SU CRECIMIENTO.
Existen diferentes métodos para producir deformaciones artificiales para usos
estructurales del bambú en la construcción. Tal como afirma Hidalgo (2003) el primero
consiste en elaborar una formaleta de madera contrachapada, con la forma interna que
se espera tenga el culmo de bambú al crecer, tanto en el sentido longitudinal como en el
transversal, la cual se ubica sobre el brote de bambú de modo que éste quede
introducido en la formaleta. Se esperan 3 meses para que crezca aproximadamente 10m
y una vez la punta del tallo sale de la formaleta, ésta se puede retirar y después de 3
años alcanza su mayor resistencia mecánica (Ver figuras 73 y 74).
Figuras 73 Y 74. Deformación artificial de la sección transversal del bambú (Hidalgo,
2003).
43
Mediante el uso éste método, en el experimento del año 2000 realizado por Hidalgo
(2003) con guadua angustifolia kunth, fue posible obtener un culmo en forma de zigzag.
Debido a que no se concluyó el estudio, el comportamiento mecánico del elemento está
por comprobar. Sin embargo se evidenció su potencial para conformar cerchas aplicables
en la construcción de cubiertas, pisos y puentes (Figuras 75 y 76).
Figuras 75 y 76. Deformación artificial de la sección longitudinal del bambú (Hidalgo, 2003).
A diferencia de Japón, en donde ha sido industrializada la tecnología de obtener
artificialmente culmos de bambú cuya sección transversal puede ser cuadrada o
rectangular y cuya sección longitudinal también puede variar de acuerdo al uso, en
Colombia éste es un procedimiento que aún sigue sin aprovechar a pesar de su potencial
formal, estructural y económico en especial. Un ejemplo de esto es que en el año 2002
en Colombia, construir un arco tudor tri articulado de 10m de luz en madera laminada,
costaba aproximadamente $5.200 dólares, mientras el mismo en bambú laminado,
costaba $600 dólares, y en bambú rollizo artificialmente curvado $130 dólares Hidalgo
(2003).
DEFORMACIONES ARTIFICIALES APLICABLES AL BAMBÚ ROLLIZO LUEGO DE HABER SIDO CORTADO.
De acuerdo con Klaus Dunkelberg citado por Maurina (2015), el bambú sometido a una
temperatura mayor a 150°c es fácil de doblar. Existen dos métodos para doblar el bambú:
doblado en caliente y doblado en frio. En el primero hay dos formas de doblar el bambú:
44
técnica de inmersión y de combustión. Cortar y agrupar el bambú son técnicos de
doblarlo en frio.
DOBLADO MEDIANTE CALOR
La inmersión consiste en sumergir los culmos de bambú en agua tibia durante
aproximadamente 8 horas, posteriormente con la ayuda de elementos fijos, darle la forma
esperada y dejarlo secar de 1 a 3 días. Una vez éste se enfría mantiene su nueva forma
sin perder sus propiedades mecánicas. La combustión consiste en aplicar calor
directamente de la llama de fuego de forma gradual para evitar que se rompa por exceso
de presión y de calor.
DOBLADO EN FRIO
La técnica de corte consiste en realizar algunos cortes en v en la sección transversal
cerca de los nudos a una profundidad de 1/3 de su espesor, para lograr doblar el culmo y
amarrarlo. Ésta técnica hace que disminuya la resistencia a la tracción. La técnica de
agrupación consiste en cortar el culmo longitudinalmente en tiras que posteriormente son
amarradas y curvadas. Esta técnica mantiene la resistencia a tracción del elemento pero
disminuye su resistencia a compresión. En la tabla No.1 se pueden comparar los
diferentes métodos y su incidencia en la resistencia de los elementos.
Tabla 1. Comparación métodos para doblar el bambú (Maurina, 2015).
45
La descripción anterior a cerca de algunos tipos de deformaciones naturales y artificiales
aplicables al bambú se elaboró con el fin de exponer brevemente el panorama de
opciones formales en la construcción de estructuras, sin embargo para el caso específico
de la morfología estructural a proponer como objeto del presente estudio, no aplica
ninguna de ellas debido a que se determinó emplear el tramo superior de los culmos de
guadua, cuya flexibilidad natural permite tomar la forma deseada en la colocación y
conexión en su posición definitiva.
4. INTRODUCCIÓN A LOS ENSAYOS
De acuerdo con estudios realizados por Sioti Uno (1930), la parte alta del culmo es más
resistente a flexión y a compresión que las partes baja y central del mismo.
Adicionalmente Hidalgo (2003) afirma que, la parte alta del culmo es más flexible debido
a que la longitud de sus entrenudos varía a lo largo del elemento, su forma es cónica, y el
espesor de sus paredes se reduce de la raíz a la punta.
Partiendo de lo anterior, con el objetivo de analizar el comportamiento estructural de la
parte alta del culmo y la máxima curvatura permitida por los elementos antes de fallar
ante la aplicación de cargas puntuales para determinar las posibilidades formales que
permite y así plantear la morfología estructural objeto del presente trabajo de
investigación. Se realizó inicialmente un trabajo de campo y posteriormente pruebas de
contenido de humedad, ensayos de densidad y ensayos mecánicos de flexión a 13
culmos de bambú Guadua angustifolia Kunth provenientes del municipio de Guaduas
Cundinamarca.
46
Figura 77. Esquema plan de trabajo practico (Autor).
4.1 METODOLOGIA TRABAJO DE CAMPO
Guaduas de 12 metros de longitud
1. Procedencia y selección del material para el estudio
2. Preparación de las probetas, del sitio y los elementos necesarios para realizar el
experimento, así como la disposición del equipo de medición.
3. Ubicación y amarre de las probetas de 12 metros sobre los apoyos, disposición
de la referencia de medida para registrar las deflexiones y determinación de los
puntos de aplicación de cargas.
4. Aplicación de cargas y toma de datos.
4.1.1. PROCEDENCIA Y SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA EL ESTUDIO
Las muestras de Guadua angustifolia Kunth se tomaron de un bosque de guadua
ubicado en el predio rural denominado El Jardín, de la vereda El Hato, ubicada en el
Municipio de Guaduas, Cundinamarca, a una altura de 1017 m.s.n.m.
47
Figuras 78 y 79. Localización finca El Jardín, ubicado en la vereda El Hato del municipio de
Guaduas Cundinamarca (Autor).
De acuerdo con el plan de manejo y aprovechamiento forestal de la Guadua presentado
a la CAR por los propietarios del predio en el año 2010, la precipitación media en el área
es de 1628.7 mm al año. La temperatura media varía entre 19 y 24 °C y la humedad
relativa se mantiene por encima de 66%. “Con respecto al análisis del suelo se
determinó que contiene 30% de arena, 42% de limo y 28% de arcilla” (Garzón, 2016).
SELECCIÓN DEL MATERIAL
Teniendo en cuenta que la morfología estructural a plantear busca cubrir luces no
mayores a 24 metros, y de acuerdo con lo estudiado previamente, se determinó, trabajar
con elementos rollizos de 12 metros de longitud provenientes de la sección superior de
los culmos de bambú. Así pues, se realiza la clasificación siguiendo los requisitos de
calidad para seleccionar la guadua estructural definidos en el numeral G.12.3.1 del NSR-
10 y lo contenido en el capítulo 5, numeral 5.1 de la NTC 5525.
48
Las muestras fueron tomadas aleatoriamente de los diferentes rodales en pie, con la
colaboración de personas de la zona conocedoras de la Guadua, que identificaron la
especie, edad y buen estado previo al corte de los culmos para así seleccionar los trece
mejores ejemplares.
Figuras 80 y 81. Vista de parte de los guaduales de la Finca el Jardín (Autor).
4.1.2. Preparación de las probetas, del sitio y los elementos necesarios para realizar el experimento, así como la disposición del equipo de medición.
Una vez la guadua de aproximadamente 20m de altura ha sido cortada de acuerdo con la
NTC 5525, se retiran hojas y ramas alternas hasta dejar totalmente limpio cada elemento,
se busca el punto en la sobre basa en el cual el perímetro permita determinar un
diámetro de aproximadamente 6 cm y a partir de allí se miden y se cortan las
probetas de 12 metros. Longitud total de los elementos a ensayar y se procede a cortar
la muestra.
49
Figuras 82 y 83. Doce de los trece elementos limpios y cortados de 12 metros de longitud (Autor).
Se realiza la toma de datos de cada elemento, la medición del espesor de paredes,
diámetros, entrenudos, número de nudos y se realiza el rotulado.
Para nombrar las trece guaduas a ensayar se utilizaron en primer lugar la letra “G” que
indica el lugar de procedencia, Guaduas Cundinamarca. La letra “F” que indica prueba de
flexión, y consecutivamente las letras del alfabeto de la “A” a la “M” seguidas del símbolo
“#” y el número del “1” al “13”.
Posteriormente se trasladan todos los elementos a la zona de la finca en donde se van a
realizar los ensayos, la cual ha sido previamente adecuada para este fin.
Figura 84. Vista de la zona de trabajo previamente adecuada para realizar los ensayos de flexión en la finca El Jardín y Figura 85. Equipo de medición: báscula y termo higrómetro (Autor).
50
Se disponen los equipos de medición, el termo higrómetro y la báscula para llenar sacos
de arena con un peso uniforme, que luego serán utilizados para aplicar cargas puntuales
a los elementos.
4.1.3. Ubicación y amarre de las probetas de 12 metros sobre los apoyos, disposición de la referencia de medida para registrar las deflexiones y determinación de los puntos de aplicación de cargas.
Se inicia a ubicar el primer culmo de guadua en los apoyos previamente adecuados para
realizar el ensayo. Debido a la longitud de 12m y la cantidad de agua contenida por el
elemento al momento del corte, su peso es considerablemente alto y teniendo en cuenta
que la distancia entre apoyos es de 10.83 metros, es necesario amarrar los extremos de
la guadua a los apoyos y cargarlos con aproximadamente 100 kg en cada extremo.
Figuras 86. Vista montaje de luces y apoyos. 87. Técnica de amarre y cargue en los apoyos
(Autor).
4.1.4. Aplicación de cargas y toma de datos.
El siguiente paso es templar un hilo de color rojo completamente recto a 1,93m del piso
para registrar las deflexiones de la guadua antes, durante y después de ser cargada con
los sacos de arena, determinar y marcar los tercios de la luz en los cuales se aplicaran
las cargas mediante sacos de arena previamente empacados y rotulados con un peso de
25 a 30 Kg X minuto hasta llevar las guaduas a falla. En ningún caso la falla fue súbita.
51
Figuras 88, 89, 90. Vista de la deflexión inicial respecto al nivel de medida antes de cargar la
guadua y luego de recibir los primeros sacos de arena (Autor).
Figuras 91. Vista de la toma de medidas mientras la guadua se deflecta por la carga aplicada. Figuras 92 y 93. Vista de la deflexión total del elemento respecto al nivel de medida luego de
cargar la guadua (Autor).
52
El mismo procedimiento se empleó para cada una de las trece guaduas, y como se
observa en la Figura 93, aunque las cargas aplicadas en los tercios de la luz son iguales
y la deflexión es directamente proporcional a la carga aplicada, la curvatura que se
genera es asimétrica y se acentúa a medida que se reduce el diámetro de la sección.
También se observa que los puntos donde con mayor frecuencia fallaron las guaduas
son el apoyo y el punto de carga cuyo diámetro de la sección es menor:
Figuras 94, 95, 96. Vista de los puntos y fallas que más se presentaron durante los ensayos
(Autor).
A continuación se observa el esquema del ensayo realizado a cada uno de los culmos,
en el cual se aprecian la luz entre apoyos, la carga máxima soportada antes de fallar, la
deflexión y la pendiente generada en los puntos en donde fueron aplicadas las cargas.
53
54
55
56
En promedio el peso máximo soportado por las guaduas antes de fallar fue de 126.05 Kg,
y las deflexiones promedio en centímetros en los puntos de carga aplicada de mayor y
menor diámetro respectivamente fueron 74.69 cm y 91.92 cm. (Ver Tabla 2) Lo cual
sugiere inicialmente que la capacidad de la parte superior de la guadua cuyo diámetro y
57
espesor de paredes es más pequeño, podría llegar a ser equiparable a la capacidad de la
parte cuyo diámetro es mayor, a la vez que permite mayor flexibilidad.
Tabla 2. Promedio de carga soportada y deflexión máxima obtenida por los elementos ensayados (Autor).
Luego de excluir el dato atípico correspondiente a la probeta GFB mediante el criterio de
Chauvenet, las deflexiones promedio en centímetros en los puntos de carga aplicada de
mayor y menor diámetro respectivamente fueron 70.50cm y 85.17cm (Ver Tabla 3).
Tabla 3. Promedio de carga soportada y deflexión máxima obtenida por los elementos ensayados
luego de excluir el dato atípico mediante el criterio de chauvenet (Autor).
58
Después de fallar cada una de las trece guaduas, se tomaron muestras del punto más
cercano a la falla, se empacaron herméticamente para analizar posteriormente el
contenido de humedad y la densidad.
Luego, se cortaron muestras correspondientes a 25 veces el diámetro del punto de falla,
más una longitud adicional que garantizara un entrenudo después del apoyo en cada
extremo, esto debido a limitaciones para transportar las probetas de 12 metros desde su
lugar de origen hasta el laboratorio de la universidad.
4.2. Ensayo Contenido de Humedad
PRINCIPIO
Determinación, mediante el pesaje, de la pérdida de masa de la probeta de ensayo
durante el secado hasta una masa constante. Cálculo de la pérdida de masa como un
porcentaje de la masa de la probeta de ensayo después del secado (NTC 5525).
De cada muestra tomada y empacada herméticamente el día del trabajo de campo
realizado en la finca El Jardín, se cortaron tres probetas prismáticas de aproximadamente
25 x 25mm. Para determinar el contenido de humedad se siguen los lineamientos de la
NTC 5525.
Figuras 97 y 98. Vista de las muestras obtenidas para analizar los contenidos de humedad
(Autor).
59
Se rotulan y se pesan en una balanza calibrada con una exactitud de 0,01 g. antes y
después de llevarla al horno eléctrico durante 24 horas hasta obtener una condición
absolutamente seca.
Figuras 99, 100 y 101. Proceso de pesar y secar las muestras (Autor).
CÁLCULO Y EXPRESIÓN DE LOS RESULTADOS
Para calcular el contenido de humedad de las muestras tomadas durante el trabajo de
campo realizado con las guaduas de 12 metros, se pesaron las 3 unidades de cada
muestra, cada 24 horas durante 4 días seguidos hasta que la diferencia entre las
determinaciones sucesivas de la masa no excedió el 0,01g, como lo indica la norma. (Ver
Tabla 4).
60
Tabla No.4 Toma de datos durante el ensayo del contenido de humedad (Autor).
El contenido de humedad (CH) de cada probeta se debe calcular como la pérdida de
masa, expresada como porcentaje de la masa seca en horno, mediante la fórmula dada
en la NTC5525:
MUESTRA # 01/04/2018 02/04/2018 03/04/2018 05/04/201813:00 (1 ABRIL)
A
18:00 (2 ABRIL) %
18:30 (2 ABRIL)
A
18:00 (3 ABRIL) %
18:30 (3 ABRIL)
A
18:00 (5 ABRIL) %
A 1 17.13 11.28 11.28 11.27 5.85 34.15% 0 0.00% 0.01 0.09%
2 17.7 11.6 11.59 11.58 6.1 34.46% 0.01 0.09% 0.01 0.09%
3 15.83 10.3 10.29 10.28 5.53 34.93% 0.01 0.10% 0.01 0.10%
P PROM 16.89 11.06 11.05 11.04
B 1 21.5 9.06 9.06 9.05 12.44 57.86% 0 0.00% 0.01 0.11%
2 20.55 8.96 8.94 8.93 11.59 56.40% 0.02 0.22% 0.01 0.11%
3 17.44 7.33 7.3 7.29 10.11 57.97% 0.03 0.41% 0.01 0.14%
P PROM 19.83 8.45 8.43 8.42
C 1 22.28 13.18 13.15 13.14 9.1 40.84% 0.03 0.23% 0.01 0.08%
2 20.39 11.72 11.71 11.7 8.67 42.52% 0.01 0.09% 0.01 0.09%
3 20 11.72 11.7 11.69 8.28 41.40% 0.02 0.17% 0.01 0.09%
P PROM 20.89 12.21 12.19 12.18
D 1 12.68 8.17 8.18 8.17 4.51 35.57% -0.01 -0.12% 0.01 0.12%
2 13.95 8.32 8.33 8.32 5.63 40.36% -0.01 -0.12% 0.01 0.12%
3 12.02 7.41 7.39 7.38 4.61 38.35% 0.02 0.27% 0.01 0.14%
P PROM 12.88 7.97 7.97 7.96
E 1 13.41 8.88 8.88 8.87 4.53 33.78% 0 0.00% 0.01 0.11%
2 13.52 8.86 8.85 8.84 4.66 34.47% 0.01 0.11% 0.01 0.11%
3 9.67 6.41 6.4 6.39 3.26 33.71% 0.01 0.16% 0.01 0.16%
P PROM 12.20 8.05 8.04 8.03
F 1 14.85 7.87 7.85 7.84 6.98 47.00% 0.02 0.25% 0.01 0.13%
2 15.46 7.83 7.82 7.81 7.63 49.35% 0.01 0.13% 0.01 0.13%
3 15.92 8.36 8.35 8.34 7.56 47.49% 0.01 0.12% 0.01 0.12%
P PROM 15.41 8.02 8.01 8.00
G 1 13.5 6.12 6.12 6.11 7.38 54.67% 0 0.00% 0.01 0.16%
2 12.12 5.8 5.8 5.79 6.32 52.15% 0 0.00% 0.01 0.17%
3 10.79 5.06 5.06 5.05 5.73 53.10% 0 0.00% 0.01 0.20%
P PROM 12.14 5.66 5.66 5.65
H 1 11.86 6.9 6.89 6.89 4.96 41.82% 0.01 0.14% 0 0.00%
2 17.36 9.04 9.02 9.01 8.32 47.93% 0.02 0.22% 0.01 0.11%
3 17.32 10.08 10.04 10.03 7.24 41.80% 0.04 0.40% 0.01 0.10%
P PROM 15.51 8.67 8.65 8.64
I 1 19.33 8.84 8.84 8.83 10.49 54.27% 0 0.00% 0.01 0.11%
2 12.74 5.77 5.76 5.75 6.97 54.71% 0.01 0.17% 0.01 0.17%
3 11.97 5.49 5.47 5.46 6.48 54.14% 0.02 0.36% 0.01 0.18%
P PROM 14.68 6.70 6.69 6.68
J 1 11.44 6.6 6.59 6.58 4.84 42.31% 0.01 0.15% 0.01 0.15%
2 11.53 6.6 6.58 6.58 4.93 42.76% 0.02 0.30% 0 0.00%
3 13.69 8.1 8.09 8.08 5.59 40.83% 0.01 0.12% 0.01 0.12%
P PROM 12.22 7.10 7.09 7.08
K 1 11.35 6.35 6.33 6.32 5 44.05% 0.02 0.31% 0.01 0.16%
2 9.52 5.78 5.77 5.76 3.74 39.29% 0.01 0.17% 0.01 0.17%
3 10.25 6.25 6.23 6.22 4 39.02% 0.02 0.32% 0.01 0.16%
P PROM 10.37 6.13 6.11 6.10
L 1 18.93 13.19 13.18 13.17 5.74 30.32% 0.01 0.08% 0.01 0.08%
2 18.36 12.93 12.91 12.9 5.43 29.58% 0.02 0.15% 0.01 0.08%
3 12.73 9.04 9.02 9.01 3.69 28.99% 0.02 0.22% 0.01 0.11%
P PROM 16.67 11.72 11.70 11.69
M 1 15.16 7.37 7.39 7.38 7.79 51.39% -0.02 -0.27% 0.01 0.14%
2 12.35 5.79 5.79 5.79 6.56 53.12% 0 0.00% 0 0.00%
3 14.05 7.28 7.27 7.27 6.77 48.19% 0.01 0.14% 0 0.00%
P PROM 13.85 6.81 6.82 6.81 43.72% 0.13% 0.11%
GRAMOS DE AGUA PERDIDOS HORNO A 103 °CPESO DE MUESTRA EN GRAMOS (g)
61
CH =𝑚 − 𝑚𝑜
𝑚𝑜𝑥 100
Ecuación 1. Para hallar el Contenido de Humedad: En donde m es la masa de la probeta antes
del secado en y mo es la masa de la probeta después del secado. Cada una con una exactitud
de 0,01 g.
Tabla 5. Calculo del contenido de humedad para cada una de las probetas en donde el peso está expresado en g. (Autor). No hubo que excluir ningún dato luego de aplicar el criterio de
Chauvenet.
En promedio, el contenido de humedad obtenido en las probetas del presente
estudio es superior al 80%
4.3. Ensayo de densidad
La estructura anatómica del culmo está conformada en un 60% por una matriz o tejido
parenquimático y un 40% de fibras esclerénquimas o haces vasculares que actúan como
refuerzo (Janssen, 1981). De acuerdo con Hidalgo (2003), las propiedades mecánicas
del culmo principalmente dependen de ésta estructura anatómica, y afirma que la
densidad y con ella la resistencia del bambú incrementa de la capa interior a la periférica
en el sentido transversal y de la base a la punta en el sentido longitudinal.
PROBETA PESO 1 PESO 72h %CH
GFA 1 16.89 11.04 52.99
GFB 2 19.83 8.42 135.51
GFC 3 20.89 12.18 71.51
GFD 4 12.88 7.96 61.81
GFE 5 12.20 8.03 51.93
GFF 6 15.41 8.00 92.63
GFG 7 12.14 5.65 114.87
GFH 8 15.51 8.64 79.51
GFI 9 14.68 6.68 119.76
GFJ 10 12.22 7.08 72.60
GFK 11 10.37 6.10 70.00
GFL 12 16.67 11.69 42.60
GFM 13 13.85 6.81 103.38
62
Con el fin de analizar las propiedades mecánicas de las probetas estudiadas, se realiza
el ensayo de densidad, y de acuerdo con la NTC 5525, para la comparación exacta entre
los valores reportados, la formula masa / volumen es la más apropiada en donde se
utiliza la masa anhidra y el volumen húmedo, los cuales no varían con respecto a las
condiciones climáticas.
Figura 102. Beaker o Vaso de precipitado y Agujas de disección. Figura 103. Equipo utilizado
para hallar el volumen de las probetas mediante el método de inmersión (Autor).
Inicialmente, se determina la masa mediante el pesaje de las probetas en estado anhidro
en g., obtenido luego de secarlas en horno para hallar el contenido de humedad. A
continuación se saturan nuevamente de agua las mismas probetas durante cuatro días,
ya que el volumen expresado en mm3, se determinará mediante el método de inmersión
con una exactitud de 10mm3 (Ver Figura 104).
63
Figura 104. Probetas saturadas en agua empleadas para calcular la densidad de las muestras
(Autor)
Posteriormente en una balanza con exactitud de 0,01g. Se pesa el beaker o vaso de
precipitado, previamente llenado de agua (Ver Figura 105), se retiran una por una las
probetas saturadas del recipiente donde se encuentran, se sujetan mediante las agujas
de disección y se sumergen lentamente y con cuidado de no tocar las paredes del vaso,
una vez la totalidad de la probeta se encuentra sumergida, se registra nuevamente el
peso de ésta en g. (Ver Figura 106). La diferencia de los dos pesos da como resultado la
relación en Kg / m3 de cada una de las probetas teniendo en cuenta que la densidad del
agua es 1000Kg / m3, se reemplazan las unidades para expresar el volumen de las
probetas en mm3.
Figura 105. Se pesa el Beaker o vaso de precipitado, previamente llenado de agua (Autor).
Figura 106. Inmersión de las probetas en el Beaker (Autor).
64
De acuerdo con la NTC 5525, la densidad (masa, seca en horno, por unidad de volumen)
de cada probeta se obtiene con la siguiente fórmula:
𝜌 = (𝑚
𝑉) 𝑥 106
Ecuación 2. Para hallar la densidad: En donde ρ = es densidad expresada en Kg/m3. m = es la masa de la probeta seca en horno, expresada en g. V = es el volumen húmedo (verde) de la
probeta expresado en mm3.
RESULTADOS
Tabla 6. Calculo de la densidad para cada una de las probetas (Autor), No fue necesario excluir ningún dato luego de aplicar el criterio de Chauvenet.
El análisis estadístico de los datos obtenidos para la densidad básica en el presente
estudio (Ver Tabla 7) En comparación con resultados obtenidos en estudios anteriores
(Ver Tabla 8) de densidad básica para las tres porciones del culmo, Garzón (2016),
permite evidenciar primero que la densidad de las probetas analizadas en el presente
estudio, está dentro del promedio de resultados para la porción superior. Segundo, que
de acuerdo con Hidalgo (2003) la parte alta del culmo posee propiedades mecánicas
65
eficientes ya que a pesar de que se reduce el diámetro de la sección, y sus haces
vasculares son de menor tamaño la resistencia se compensa debido a la mayor
concentración de los mismos.
Tabla 7. Análisis estadístico de los datos obtenidos para la densidad básica en el presente estudio (Autor).
Tabla 8. Análisis estadístico de densidad básica para las tres porciones del culmo (Garzón, 2016).
4.4. Ensayo a Flexión: Guaduas de 2 a 3 metros de longitud provenientes del trabajo de campo.
El objetivo de éste ensayo es determinar la capacidad de flexión de los culmos, analizar
la curva de carga frente a la deflexión vertical y obtener el módulo de elasticidad nominal
de cada uno (NTC 5525).
Del trabajo de campo se obtuvieron muestras cuyas longitudes fueron variadas, por esta
razón las muestras analizadas en laboratorio, se dividieron en dos grupos, las de mayor
longitud y las de menor longitud. Las muestras correspondientes al primer grupo, se
probaron aplicando el ensayo de flexión de cuatro puntos, como se describe en el
numeral 10.5 de la NTC 5525 (Ver Figura 107), y las muestras correspondientes al
segundo grupo, se analizaron usando el ensayo de flexión de tres puntos como se
describe en el numeral 6.0 de la NTC 663 cuyo objeto es determinar la resistencia de la
madera a flexión, con probetas pequeñas sin defectos (Ver Figura 108).
66
Figura 107. Esquema del ensayo a flexión de cuatro puntos tomado de la NTC 5525. Probetas de mayor longitud.
Figura 108. Esquema del ensayo a flexión de tres puntos tomado de la NTC 663. Probetas de menor longitud.
En adelante se expresarán por separado para el ensayo a flexión de cuatro y de tres
puntos, las ecuaciones empleadas para la resistencia última y el módulo de elasticidad.
67
4.4.1. EQUIPO PARA REALIZAR EL ENSAYO
Se emplea una máquina de ensayo universal, con capacidad para medir la carga con
exactitud de 1 % de la escala utilizada y la deflexión con exactitud de mm. (Figuras
No.109 y 110).
Figuras 109 y 110. Vista de la maquina universal y posicionamiento del culmo a ensayar (Autor).
4.4.2. PREPARACIÓN DE LOS CULMOS A ENSAYAR
Para realizar los procedimientos de ensayo se tomaron los tramos provenientes de las
probetas de doce metros correspondientes al trabajo de campo mencionado al inicio de
este capítulo en la finca El Jardín, cuyo nombre Botánico es Guadua angustifolia Kunth,
se revisaron cuidadosamente los elementos para verificar que presentaran la menor
cantidad de defectos visibles como: manchas que determinan la presencia de hongos,
grietas, rajaduras y torceduras. Los elementos seleccionados por pertenecer a la parte
superior del culmo, presentaron un alabeo leve pero notorio.
68
4.4.3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
Se determina el valor medio del diámetro externo D y del espesor de la pared t, según lo
indicado en la NTC 5525. “Antes de cada ensayo, se deben medir las dimensiones de
cada probeta con una exactitud de:
10 mm para la longitud del culmo,
1 mm para la longitud o altura de la probeta, paralela al eje del culmo,
1 mm para el diámetro del culmo; en cada sección transversal, el diámetro se
debe tomar dos veces, en direcciones perpendiculares entre sí;
0,1 mm para el espesor de la pared; en cada sección transversal, el espesor de la
pared se debe tomar cuatro veces en los mismos sitios en que se midió el
diámetro (dos veces).
Siguiendo los parámetros previamente descritos, se toman medidas a los elementos para
determinar espesor de las paredes del culmo en los extremos y se miden los diámetros
de las muestras.
Tabla 9. Medición de diámetros y espesores de las probetas a ensayar (Autor).
Teniendo en cuenta que el momento de inercia depende de la sección transversal y no
de su longitud, éste se calcula empleando la misma fórmula para todas las probetas.
PROBETA diametro 1 diametro 2 diametro 3 diametro 4 Diametro D espesor 1 espesor 2 espesor 3 espesor 4 espesor 5 espesor 6 espesor 7 espesor 8 Espesor t
GFA 1 70.00 71.50 95.00 95.50 83.00 7.50 6.80 7.00 8.00 8.00 8.50 9.00 8.50 7.91
GFB 2 92.00 92.10 107.50 107.00 99.65 8.00 7.00 8.50 8.00 9.00 9.10 8.20 10.00 8.48
GFC 3 79.00 79.00 90.00 90.50 84.63 8.50 9.00 9.50 9.80 9.00 8.10 8.10 8.50 8.81
GFD 4 63.00 63.10 86.00 86.10 74.55 7.50 7.20 7.20 7.30 8.00 7.50 7.00 7.50 7.40
GFE 5 56.00 56.50 72.00 72.20 64.18 6.50 7.50 7.20 7.00 8.00 8.60 9.00 8.20 7.75
GFF 6 55.00 54.90 73.00 72.95 63.96 6.60 6.80 6.50 6.20 8.00 8.50 9.00 10.00 7.70
GFG 7 60.00 60.00 80.00 80.00 70.00 6.00 6.20 5.00 5.50 7.00 6.80 8.00 8.00 6.56
GFH 8 66.00 66.00 80.00 80.00 73.00 7.50 7.30 8.00 8.70 8.00 9.00 10.00 10.00 8.56
GFI 9 106.00 106.00 116.00 116.10 111.03 7.50 7.70 8.00 7.90 7.50 8.00 8.60 9.00 8.03
GFJ 10 56.50 56.90 77.00 72.20 65.65 6.50 7.00 7.20 7.50 8.00 8.20 8.50 9.90 7.85
GFK 11 65.00 65.50 80.00 86.00 74.13 6.70 7.00 6.50 6.50 8.00 7.00 7.50 8.00 7.15
GFL 12 68.50 68.70 88.50 88.70 78.60 7.00 8.00 7.00 7.50 9.00 8.50 8.00 8.70 7.96
GFM 13 72.50 72.40 95.50 95.60 84.00 8.00 8.00 8.70 8.00 7.00 7.00 8.00 7.50 7.78
69
𝐼𝐵 =π
64𝑥 [𝐷4 − (𝐷 − 2𝑡)4]
Ecuación 3. Para hallar el momento de inercia expresado en mm4 se usó la ecuación 8.1 tomada
de la NTC 5525: En donde D = es el diámetro externo promedio de la probeta expresado en mm. y
t = es el espesor de la pared expresado en mm.
Tabla 10. Calculo del momento de inercia de todas las probetas (Autor).
NOTA Este valor de IB se usa para predecir el comportamiento durante el ensayo.
Se ubica el culmo en su lugar en la máquina universal de ensayo, apoyado sobre los dos
soportes en los dos apoyos, permitiendo que la probeta encuentre su propia posición.
Enseguida se ubican las dos monturas y la viga (que divide la carga) en la parte superior
del culmo permitiendo nuevamente que este encuentre su posición, se alinean
visualmente, los soportes, las monturas, la carga y los apoyos en un plano vertical, se
ajustan los tornillos sin que estos toquen la guadua (Ver Figura 111). Se ubica el equipo
LVDT (Ver Figura 112) para medir el desplazamiento vertical de la guadua durante la
aplicación de la carga, y así calcular posteriormente el módulo de elasticidad a flexión.
70
Figura 111. Posicionamiento de la guadua en el lugar de aplicación del ensayo. Figura 112. Montaje e instalación del equipo LVDT para ensayo a flexión de tres puntos tomado
de la NTC 663 (Autor).
INICIO DEL ENSAYO
Aunque parte de las probetas se probaron aplicando el ensayo de flexión de cuatro
puntos (Ver Figura 107), y las probetas correspondientes al segundo grupo, usando un
ensayo de flexión de tres puntos (Ver Figura 108). El procedimiento de ensayo fue igual
para todas las muestras, se ubicó el LVDT en el centro de la luz para medir la deflexión, y
a una temperatura promedio de 18.45°C y una humedad relativa de 69.5%, se inicia a
aplicar la carga a cada culmo, se hace uniformemente a una velocidad constante de 0.5
mm/s.
71
Figuras 113, 114. Probetas ensayadas a flexión mediante montaje de cuatro puntos tomado de la NTC 5525 (Autor).
Figuras 115, 116. Probetas ensayadas a flexión mediante montaje de tres puntos tomado de la NTC 663 (Autor).
72
Figura 117. Gráfica de Carga Vs Deflexión para la muestra GFA. (Autor).
En las figuras 113 a la 116, se observa que en ambos montajes, la falla de aparente
aplastamiento producido por un esfuerzo cortante, en general se presenta cerca al punto
donde se aplicó la carga. En la figura 113, se aprecia el comportamiento característico
de las guaduas ensayadas, la relación es directamente proporcional entre carga y
deflexión.
4.5 MÓDULO DE ELASTICIDAD
De acuerdo con la NTC 5525, el módulo de elasticidad (módulo de Young) está
determinado por la pendiente de la parte lineal del diagrama de deformación frente a la
carga. El módulo de elasticidad E, en MPa, se calcula usando las siguientes ecuaciones:
𝐸 =23 𝑥 𝐹 𝑥 𝐿3
1296 x 𝐼𝐵 x δ
Ecuación 4. Módulo de elasticidad a flexión calculado a partir de la ecuación 8.3 tomada de la NTC 5525, para las probetas de mayor longitud analizadas mediante el ensayo a flexión de
cuatro puntos (Figura 107).
0
2000
4000
6000
8000
10000
-20 0 20 40 60 80 100
Car
ga (
N)
Deflexión (mm)
Carga vs Deflexión
Series2
73
En donde
F es la carga máxima aplicada, en N (la carga total aplicada en los dos puntos de carga).
L es la luz, en mm (o espacio de separación)
IB es momento de inercia, en mm4, como se indica en el numeral 10.5.4 de la NTC 5525”.
ᵟes la deflexión en el punto medio de la luz en mm
𝐸 =𝐹 𝑥 𝐿3
48 x 𝐼𝐵 x δ
Ecuación 5. Módulo de elasticidad a flexión empleado para las probetas de menor longitud analizadas mediante el ensayo a flexión de tres puntos tomado de la NTC 663 (Figura 108).
RESULTADOS
En esta etapa, se realizó el análisis estadístico de los datos obtenidos para el módulo de
elasticidad (MOE) y el esfuerzo admisible a flexión y se graficaron los resultados
empleando la distribución normal de GAUSS en ambos casos.
74
4.5.1. DISTRIBUCION NORMAL DE GAUSS PARA MODULO DE ELASTICIDAD
Figura 118. Distribución normal de gauss para módulo de elasticidad. (Autor).
En la gráfica se puede apreciar en el eje Y la densidad de probabilidad y en el eje X el
módulo de elasticidad en MPa. En el punto más alto de la curva está el promedio del
módulo de elasticidad (MOE) obtenido en las probetas, el cual fue de 10621,44MPa.
Mientras más nos alejemos de ese punto en el diseño de la estructura, mas disminuye la
probabilidad de que existan grandes deformaciones. Por esta razón se calculan el quinto
percentil, cuyo valor está representado por la línea de color rojo en la gráfica y el valor
mínimo cuyo valor está representado por la línea de color verde en la misma. Se
determina emplear en este caso para el diseño de la estructura, el valor del quinto
percentil como factor ya que permite un 55% de seguridad, es decir que empleando el
valor del quinto percentil en el diseño de la estructura, existe un 55% menos de
probabilidad de obtener grandes deformaciones.
75
4.6. ESFUERZO ÚLTIMO A FLEXION La resistencia última en MPa en la flexión estática está determinada por la siguiente
ecuación tomada de la NTC 5525 en el caso de las probetas de mayor longitud:
Ecuación 6. Esfuerzo ultimo a flexión empleado para las probetas de mayor longitud analizadas
mediante el ensayo a flexión de cuatro puntos tomado de la NTC 5525.
En donde
F es la carga máxima aplicada, en N (la carga total aplicada en los dos puntos de carga).
L es la luz, en mm (o espacio de separación)
D es el diámetro externo, en mm, tal como se indica en el numeralm10.5.4 de la NTC 5525
IB es momento de inercia, en mm4, como se indica en el numeral 10.5.4 de la NTC 5525”.
La resistencia última o máxima a la flexión, en Kilogramos por centímetro cuadrado está
determinada por la siguiente ecuación tomada de la NTC 663 en el caso de las probetas
de menor longitud:
Ecuación 7. Esfuerzo ultimo a flexión empleado para las probetas de menor longitud analizadas
mediante el ensayo a flexión de tres puntos tomado de la NTC 663.
En donde
P es la carga de rotura, en newtons.
L es la luz entre los soportes en cm (o espacio de separación)
a es el ancho de la probeta en la dirección radial, en centímetros.
e es la altura de la probeta en la dirección tangencial en centímetros.
76
4.6.1. DISTRIBUCION NORMAL DE GAUSS PARA ESFUERZO ÚLTIMO A FLEXION
Figura 119. Distribución normal de gauss para esfuerzo ultimo a flexión. (Autor).
Ecuación 6. Para hallar el
valor característico (NSR 10-G.12.7.1)
Ecuación 7. Para hallar el
valor de esfuerzos admisibles (NSR 10-G.12.7.2)
Factores de reducción (Tabla
G.12.7.3)
Del mismo modo para los ensayos a flexión, se grafican los resultados obtenidos y se
puede apreciar en el eje Y la densidad de probabilidad y en el eje X el esfuerzo último en
MPa. En el punto más alto de la curva tenemos el promedio del esfuerzo último
soportado por las probetas antes de fallar, el cual fue de 72,24MPa. Como factor de
77
seguridad se hallan el quinto percentil, representado por la línea de color rojo en la
gráfica y el valor característico, cuyo valor está representado por la línea de color verde
en la misma. Adicionalmente, debido a que el método de diseño estructural para
estructuras en bambú, debe realizarse de acuerdo con la norma, por el método de
esfuerzos admisibles, se halla éste valor representado por la línea de color purpura en la
gráfica. Se puede observar como el valor de esfuerzo admisible obtenido, se aleja de la
mayor probabilidad de falla en un 85%, es decir que se estaría diseñando la estructura
con un grado de confianza o un factor de seguridad del 85%.
Al calcular los resultados, fue posible observar que el valor de esfuerzo admisible
obtenido de las probetas de mayor longitud en general es más cercano al valor mínimo
dado en la NSR 10, correspondiente a 15MPa para construir estructuras en guadua
angustifolia kunth dentro de los factores de seguridad. Mientras que el valor de esfuerzo
admisible a flexión obtenido de las probetas de menor longitud en general es inferior
respecto al primer grupo.
Teniendo en cuenta que las probetas de menor longitud y a la vez menor valor de
esfuerzo admisible, corresponden a diámetros aproximados entre 55 y 85mm, mientras
que las de mayor longitud corresponden a diámetros aproximados entre 85 y 111mm, se
puede decir que aunque las propiedades mecánicas de la parte superior del culmo
sean buenas, el diámetro mínimo de la sección menor no debe ser inferior a los
80mm.
78
5. PLANTEAMIENTO DE DISEÑO DE UNA MORFOLOGÍA ESTRUCTURAL EN BAMBÚ Guadua angustifolia Kunth.
5.1 PARÁMETROS DE DISEÑO PRODUCTO DEL ESTUDIO
USO DE LA EDIFICACION: EQUIPAMIENTO PÚBLICO. Se estima que la estructura de
la edificación pueda emplearse como equipamiento educativo, deportivo y/o cultural.
SISTEMA ESTRUCTURAL: ESTRUCTURA DE FORMA ACTIVA COMBINADA CON
ESTRUCTURA DE VECTOR ACTIVO
RECURSO PRINCIPAL: USO DEL ARCO FUNICULAR Y CELOSIA CURVA
POSICION DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL: Diámetro mayor del culmo en la base del
arco para que soporte mejor los empujes horizontales y el diámetro menor en la clave del
arco en donde el cortante es igual a cero.
A continuación se expone la propuesta de morfología estructural, partiendo de los
primeros esquemas formales y su evolución durante el desarrollo de la investigación,
hasta llegar a definir los parámetros que diseño producto del estudio realizado, y concluir
con la propuesta final.
PRIMEROS ESQUEMAS FORMALES
Figura 120. Primeros esquemas de morfología estructural para equipamientos de tipología central
y de tipología axial (Autor).
79
5.2 PROPUESTA INICIAL
Figura 121. PLANTA GENERAL DE LA MORFOLOGÍA ESTRUCTURAL PROPUESTA INICIALMENTE (Autor).
Figura 122. VISTA GENERAL ESQUEMA DE LA MORFOLOGÍA ESTRUCTURAL PROPUESTA (Autor).
80
Figura 123. ESQUEMA DE FACHADA LONGITUDINAL PROPUESTA (Autor).
Figura 124. Esquema de elementos portantes y rigidizadores que complementan la estructura para incrementar su estabilidad (Autor).
81
LA MALLA ESTARIA COMPUESTA POR UNOS ELEMENTOS PORTANTES Y OTROS RIGIDIZADORES QUE SERIAN AMARRADOS CON FIBRAS NATURALES RETOMANDO
TECNICAS VERNÁCULAS
Figura 125. Esquema de amarres propuestos para unir los elementos portantes y los rigidizadores
a la estructura principal conformada por los arcos (Hidalgo, 2003).
Como se mencionó previamente, el planteamiento morfológico inicial, consistía en una
combinación de sistemas estructurales de forma y de superficie activa que daban
como resultado una red soportada por arcos resistentes a tracción.
El esquema en planta consistía en la construcción de 4 módulos conformados cada
uno por dos arcos parabólicos articulados en la clave y en los apoyos, toda la
estructura estaría amarrada por una red de doble curvatura total negativa.
LOS APOYOS Y LA CIMENTACIÓN
La cimentación se contempló como un sistema puntual para cada extremo de cada arco,
cuyos apoyos articulados a su vez anclados al pedestal de concreto daban continuidad al
arco estructural con el objetivo de que las cargas se transmitieran directamente. El
conjunto estaría compuesto por pedestal zapata y viga corrida en concreto reforzado,
tomando como referente los apoyos empleados para los puentes de guadua construidos
en Colombia por Jorg Stamm (2001) y Vélez (2003), para luces entre 45 y 50 metros.
82
Figura 126. ESQUEMA DE APOYOS PROPUESTOS (Autor).
5.3 PROPUESTA FINAL
Teniendo en cuenta los resultados del estudio, fue posible llevar la propuesta de
morfología a un nivel más elaborado y eficiente mediante la combinación entre el arco
parabólico y el arco rebajado.
Para el caso de un arco tri articulado sometido a la acción de fuerzas puntuales, las
reacciones en el apoyo (Ra) son oblicuas, estas a su vez tendrán dos componentes, una
vertical (Va) y una horizontal (Ha).
Figura 127. Esquema de reacciones en los apoyos para un Arco Rebajado (Autor).
83
Figura 128. Esquema de reacciones en los apoyos para un Arco Parabólico (Autor).
Figura 129. Esquema de acción de fuerzas en un Arco Parabólico, tomado de la publicación
Estudio de Cubiertas de Sebastián Rojas.
Mientras más pequeño sea el ángulo de la reacción oblicua en la base del arco, menor
será la longitud de la componente horizontal de la reacción, y menor será la fuerza que
tienda a abrir el arco en la base, lo que permitirá una eficiente transmisión de fuerzas
actuantes a los apoyos.
Teniendo en cuenta lo anterior, la configuración en la base del arco parabólico permite
mayor eficiencia estructural, sin embargo la configuración en la base del arco rebajado
permite abarcar mayor luz entre apoyos y con ello mayor espacialidad requerida
específicamente para los equipamientos públicos.
84
Por ésta razón se buscó en la luz principal del módulo, generar la espacialidad de
un arco rebajado, y mediante la combinación de formas y la curvatura en los
elementos, que los apoyos arboriformes en cada extremo tuviesen una eficiente
transmisión de cargas, ya que éstos vistos por la fachada secundaria, conforman
arcos parabólicos entre sí. Lo que dio como resultado por cada módulo, un arco
conformado por una cercha 3d curva ubicada en la clave del arco, apoyada sobre
dos paraboloides hiperbólicos, los cuales a su vez se sostienen sobre apoyos
arboriformes curvados para sostener los cuatro puntos de cada paraboloide
hiperbólico, conformando a su vez, arcos parabólicos de menor tamaño que
rigidizan la estructura en el sentido transversal de la misma.
Figura 130. Vista general, maqueta propuesta final de morfología estructural (Autor).
85
Figura 131. Vista general, maqueta vista en planta (Autor).
Figura 132. Espacialidad en el sentido longitudinal
Arco rebajado (Autor).
86
Figura 133. Espacialidad en el sentido transversal Arco parabólico (Autor).
Figura 134. Esquema planta general (Autor).
87
Figura 135. Planta general de la morfología estructural propuesta (Autor).
El esquema en planta consiste en la construcción de un módulo de 7.22m de
ancho y (10.83m X 2 = 21.66m) de luz. Éstas medidas resultan de la luz
empleada en el trabajo de campo (Ver Cap4.1.3) y la curvatura de la pendiente
que con mayor frecuencia se encontró en la distribución de los datos.
88
Figura 136. ESQUEMA FACHADA PRINCIPAL (Corte Longitudinal) Morfología estructural propuesta (Autor).
Figura 137. FACHADA PRINCIPAL Corte Longitudinal (Autor).
89
Figura 138. ESQUEMA DE FACHADA SECUNDARIA (Corte Transversal) Morfología estructural propuesta (Autor).
Figura 139. FACHADA SECUNDARIA Corte Transversal (Autor).
90
LA CIMENTACIÓN, LOS APOYOS Y LA UNIÓN
La cimentación consiste en un sistema puntual para cada extremo de cada módulo, se
plantean apoyos que están conformados por pedestales en concreto de donde nacen
cuatro elementos estructurales es decir cuatro culmos que desde el inicio se ramifican en
cuatro direcciones permitiendo la transferencia de compresión simple (Ver figura 68).
Respecto a la unión se emplea de acuerdo con la clasificación de uniones propuesta por
Widyowijatnoko (2012), dentro del primer grupo que va conectada desde el exterior del
elemento (Ver figura 66).
Para finalizar se realizó la validación numérica de la estructura, solo para cargas
verticales, empleando los parámetros más críticos de sismo y de amplificación por
condiciones del suelo de fundación con el fin de que la estructura sea replicable en
cualquier parte del país.
5.4 EVALUACION DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL
Figura 140. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS ETABS 2015 (Autor).
91
Figura 141. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS ETABS 2015 (Autor).
5.4.1 ANÁLISIS DE CARGAS
PARÁMETROS SÍSMICOS EMPLEADOS
Se utilizan los parámetros críticos para que la estructura pueda ser replicable en
cualquier zona de amenaza sísmica con la condición más crítica de efectos locales
producidos por el suelo de fundación.
Aa = 0.35
Av = 0.3
Fa = 2.5
Fb = 3.5
PESO PROPIO
La estructura se diseña con Guadua angustifolia Kunth cuya densidad promedio
resultado del presente estudio es = 654.42 kg/m3
92
CARGAS DE CUBIERTA
Carga muerta = 30 kgf/m2
Carga viva = 50 kgf/m2
5.4.2 ANÁLISIS DE FUERZAS AXIALES
Figura 142. Análisis de fuerzas axiales (Autor).
En esta estructura el comportamiento predominante es de compresión, este aspecto es
muy importante debido al buen desempeño de la guadua ante esfuerzos de
compresión y de tracción.
Ningún elemento de la estructura supera los 14 MPa de esfuerzo admisible de
compresión paralela a la fibra, así mismo se verifico el valor de los esfuerzos a tracción
de los elementos y tampoco se superan los 18 MPa de esfuerzo admisible.
93
5.4.3 ANÁLISIS DE DEFORMACIONES
Figura 143. Análisis en el eje 0 (la estructura está cargada sobre el eje 0 y el eje 1) (Autor).
Deflexión máxima cercha de cubierta = - 2.209E-08 m
Figura 144. Análisis en el eje 1 (Autor).
Deflexión máxima cercha de cubierta = - 0.001825m
En primera medida se realiza un análisis de deformaciones para determinar el
comportamiento de la estructura ante cargas de servicio, luego de usar elementos de
arriostramiento para reducir derivas y deflexiones, se llegó a esta solución que debido a
su forma, a su masa y a las condiciones de cargas horizontales estudiadas tuvo un buen
94
comportamiento, teniendo en cuenta que las deflexiones que se esperan son muy
reducidas, garantizando que la estructura sea adecuada para su uso y segura para sus
ocupantes.
5.4.4 ANÁLISIS DE FLEXIÓN
Figura 145. Análisis de flexión (Autor).
Diagrama de momentos, los esfuerzos de flexión son muy inferiores comparados con los
de carga axial. No se superan las deflexiones admisibles de la norma NSR10 (5 cm) para
la luz de diseño, por lo tanto no se consideró necesario el uso de secciones compuestas,
las luces de los elementos son pequeñas ya que a nivel de cubierta se forma un
diafragma que trabaja como un solo elemento, por este motivo todos los esfuerzos fueron
menores a 10,85 MPa, por lo cual no se superó el esfuerzo admisible de flexión.
95
5.4.5 ANÁLISIS DE ESFUERZO CORTANTE
Figura 146. Análisis de esfuerzo cortante (Autor).
Para las fuerzas cortantes reportadas en el modelo de elementos finitos, se
determinó el valor del esfuerzo cortante paralelo a las fibras, teniendo en cuenta
el área de la sección transversal, el espesor promedio de la pared y el diámetro
exterior promedio de la guadua, se verifico que en ningún elemento se superara
el valor del esfuerzo admisible de corte paralelo a la fibra de 1.2 MPa.
96
5.4.6 ANÁLISIS EN LOS APOYOS PARA DISEÑO DE CIMENTACIONES
Figura 147. Análisis en los apoyos para diseño de cimentaciones (Autor).
La carga en los apoyos para diseño de cimentaciones es de 8.12 tonf, se debe tener en cuenta que
al unir módulos este valor puede incrementarse, sin embargo con esta carga y los parámetros del
suelo que se determinen en la zona de construcción se puede dimensionar la cimentación más
apropiada para transmitir eficientemente estar cargas al suelo de fundación.
97
CONCLUSIONES
El bambú es un recurso natural con múltiples ventajas que se traducen en
oportunidades para la sociedad, la economía y el medio ambiente (Lozano, 2012).
Adicionalmente es un recurso renovable con tantas posibilidades en la
construcción, que resulta pertinente plantear formas de incrementar su
aprovechamiento estructural con el fin de brindar una alternativa de solución al
actual déficit de equipamientos públicos que existe en Colombia, ya que éstos son
espacios y ambientes de encuentro, de interacción participativa y de educación
que a su vez son medios físicos transversales a la satisfacción de necesidades
humanas fundamentales dirigidas a lograr un desarrollo sostenible.
Luego de analizar los principales referentes de estructuras construidas durante el
Siglo XX caracterizadas por su racionalidad y eficiencia, se puede observar en
primer lugar, que se trata de sistemas capaces de soportar cargas más por la
forma que por la masa, es decir que son estructuras de forma activa que trabajan
adaptando su forma física a los esfuerzos. Estas estructuras, trabajan en estado
tensional de un solo signo, es decir a tracción o a compresión. Adicionalmente,
las estructuras de forma activa pueden ser de cables, en tienda, neumáticas o de
arcos, sin embargo, el común denominador de los referentes estudiados es el uso
de la curvatura como recurso principal. Lo anterior, concuerda con Velasco
(2008), quien afirma que la manera más simple de transmitir cargas transversales
distribuidas a apoyos distantes es mediante el uso de la curvatura en el diseño de
la sección longitudinal.
Después de realizar trabajo de campo y ensayos de flexión, contenido de
humedad y densidad a culmos de bambú Guadua angustifolia Kunth de 12 metros
de longitud, con el fin de identificar condiciones a tener en cuenta en la propuesta
a plantear y analizar el comportamiento en la sobre basa del elemento para
establecer si este tramo es apto para uso estructural, fue posible evidenciar, que
la curvatura generada al aplicar la carga es asimétrica acentuándose a medida
que se reduce el diámetro de la sección, lo que reafirma la propiedad de
flexibilidad en la sobre basa del culmo. También se pudo observar que los puntos
donde con mayor frecuencia fallaron las guaduas son el apoyo y el punto de
carga cuyo diámetro de la sección es menor, y la falla más comúnmente
presentada fue aplastamiento producido por un esfuerzo cortante. A partir del
ensayo a flexión, al calcular los resultados, fue posible observar que el valor de
esfuerzo admisible obtenido de las probetas de mayor longitud en general es más
cercano al valor mínimo dado en la NSR 10, correspondiente a 15MPa para
construir estructuras en bambú Guadua angustifolia Kunth dentro de los factores
de seguridad. Mientras que el valor de esfuerzo admisible a flexión obtenido de
las probetas de menor longitud en general es inferior respecto al primer grupo.
98
Teniendo en cuenta que las probetas de menor longitud y a la vez menor valor de
esfuerzo admisible, corresponden a diámetros aproximados entre 55 y 85mm,
mientras que las de mayor longitud corresponden a diámetros aproximados entre
85 y 111mm, se puede decir que aunque las propiedades mecánicas de la
parte superior del culmo sean buenas, el diámetro mínimo de la sección
menor no debe ser inferior a los 80mm.
Adicionalmente, se puede inferir que la posición más ventajosa del elemento en
el sistema estructural, es ubicando los culmos de guadua que conforman el arco
articulado de la estructura, dejando el diámetro mayor en la base del arco con el
fin de que soporte mejor los empujes horizontales y el diámetro menor en la clave
del arco en donde el cortante es igual a cero.
Por otra parte, según la NSR10, la guadua pierde resistencia y rigidez a medida
que aumenta su CONTENIDO DE HUMEDAD. Teniendo en cuenta que los
valores consignados en la norma corresponden a contenidos de humedad de la
guadua del 12%, y las probetas ensayadas en el presente estudio corresponden a
contenidos de humedad superiores al 80%, se aplica el coeficiente de
modificación por CH consignado en la norma, al módulo de elasticidad promedio
obtenido para la parte más alta del culmo y efectivamente el valor es mayor al
módulo de elasticidad promedio consignado en la norma.
En Colombia se utilizan para fines estructurales en la construcción,
generalmente, la parte baja y media de los culmos conocidas como cepa y
basa de 4 a 6 años. Mientras que la parte superior conocida como sobre
basa, tiene fines no estructurales debido a que su comportamiento mecánico
no ha sido ampliamente estudiado. Según los resultados obtenidos respecto a la
densidad básica de la porción superior del culmo en el presente estudio
(654.42Kg/m3) en comparación con los resultados obtenidos en estudios
anteriores para la porción media del culmo (611,12Kg/m3)(Garzón, 2016), se
puede decir que actualmente se desaprovecha una gran cantidad de material
que cuenta con una resistencia mecánica equiparable a la de la porción media del
culmo y además tiene la posibilidad de adquirir diferentes formas ya que posee
mayor flexibilidad.
Tomando en cuenta toda la información previamente obtenida, se realizó el
planteamiento de diseño de una morfología estructural en bambú Guadua
angustifolia Kunth para la construcción de equipamientos públicos con luces
no mayores a 24 metros, aprovechando la flexibilidad que permite la sobre
basa del elemento para emplear la curvatura como recurso principal y lograr
la espacialidad requerida por el uso. Mediante la combinación con elementos
que trabajan a tracción, se logró arriostrar y rigidizar la estructura y gracias a
las cerchas curvas, reducir el tamaño de los elementos, lo cual incrementa la
99
eficiencia estructural y la facilidad constructiva.
Para evaluar el comportamiento estructural de la morfología propuesta, se
analizaron cargas empleando parámetros críticos para que la estructura pueda
ser replicable en cualquier zona de amenaza sísmica con la condición más crítica
de efectos locales producidos por el suelo de fundación. Posteriormente se realizó
un análisis de deformaciones para determinar el comportamiento de la estructura
ante cargas de servicio, el cual arrojó como resultado el requerimiento de
elementos de arriostramiento para reducir derivas y deflexiones.
En cuanto a los esfuerzos de flexión, son muy inferiores comparados con los de
carga axial. No se superan las deflexiones admisibles de la norma NSR10 (5 cm)
para la luz de diseño, por lo tanto no se consideró necesario el uso de secciones
compuestas, las luces de los elementos son pequeñas ya que a nivel de cubierta
se forma un diafragma que trabaja como un solo elemento, por este motivo todos
los esfuerzos fueron menores a 15 MPa, por lo cual no se superó el esfuerzo
admisible de flexión.
Para las fuerzas cortantes reportadas en el modelo de elementos finitos, se
determinó el valor del esfuerzo cortante paralelo a las fibras, teniendo en cuenta
el área de la sección transversal, el espesor promedio de la pared y el diámetro
exterior promedio de la guadua, se verifico que en ningún elemento se superara el
valor del esfuerzo admisible de corte paralelo a la fibra de 1.2 MPa.
se puede concluir que ningún elemento de la estructura supera los 14 MPa de
esfuerzo admisible de compresión paralela a la fibra, así mismo se verifico el valor
de los esfuerzos a tracción de los elementos y tampoco se superan los 18 MPa de
esfuerzo admisible registrado en el código de construcción sismo resistente
colombiano.
100
RECOMENDACIONES
Cabe resaltar que al momento de la construcción se debe tener en cuenta que los
esfuerzos admisibles del material deben ser modificados para contenidos de
humedad que se encuentren por encima del CH12%, así mismo cuando la
estructura este sometida a altas temperaturas se debe considerar la reducción
del esfuerzo admisible de diseño del material.
Teniendo en cuenta que las uniones no son alcance del presente estudio, se
recomienda para los elementos que trabajan a tracción que se debe garantizar el
buen comportamiento de las mismas evitando que la falla se de en la unión antes
de que las fibras del material lleguen a su esfuerzo admisible.
Se deben tomar las recomendaciones de la NSR 10 en cuanto a inmunización y
preservación del material.
.
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