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Determinación de las características del fardo de paja de trigo, como desecho agroindustrial para su aprovechamiento como material de construcción

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El objetivo de esta investigación es determinar las características físico-mecánicas de los fardos de paja producidos en Ecuador, para definir su posible uso en la construcción de viviendas sismo resistentes. Para lo cual, se utilizaron métodos experimentales propuestos por Vardy (2006) en los fardos, variando su posición para pruebas de carga en plano y canto. Obteniendo así el módulo de elasticidad del fardo desnudo y revocado en sus caras, con un mortero en base de cal, cemento y fibras naturales previamente diseñado. Se determinó que el máximo módulo de elasticidad del fardo revocado varía entre 12,98 y 18,67 MPa. Estos valores fueron utilizados para realizar el modelamiento estructural de una vivienda tipo, mediante el uso de un software, para proponer una solución habitacional que fomente el uso del fardo de paja producido en Ecuador para la construcción de viviendas sismo-resistentes. Del análisis de este modelo se concluye que las derivas inelásticas máximas de la estructura propuesta, con mampostería portante realizada con los fardos de paja, son menores al 2 %, con un revoco de espesor de entre 3 y 4 cm, concluyendo que las respuestas estructurales obtenidas cumplen con lo establecido para viviendas sismo-resistentes en la Norma Ecuatoriana de la Construcción
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de Carabobo
Viera et al. / Revista Ingeniería UC, Vol. 27, No3, Diciembre, 2020 304 – 318
Determination of the characteristics of the wheat straw bale, as an
agro-industrial waste for use as a construction material
Paulina Viera ,a iD, Darío Aguirre aiD, José María Monzó biD
aCarrera de Ingeniería Civil. Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática. Universidad Central del Ecuador,
Quito, Ecuador.
bInstituto Universitario de Ciencia y Tecnología del Hormigón. Universitat Politècnica de València, Valencia, España.
Abstract.- The objective of this research is to determine the physical-mechanical characteristics of the straw bales produced in
Ecuador, in order to define their possible use in the construction of earthquake-resistant housing. For this purpose, experimental
methods proposed by Vardy (2006) were used on the bales varying their position for flat and edge load tests. Thus obtaining
the modulus of elasticity of the bundle bare and plastered on their faces, with a mortar based on lime cement and natural
fibers previously designed. It was determined that the maximum modulus of elasticity of the plastered bundle varies between
12,98 and 18,67 MPa. These values were used to perform the structural modeling of a typical house through the use of a
software to propose a housing solution that promotes the use of the straw bale produced in Ecuador for the construction of
earthquake-resistant housing. From the analysis of this model, it is concluded that the maximum inelastic drifts of the proposed
structure, with supporting masonry made with the straw bales, are less than 2 %, with a rendering of thickness between 2 and
4 cm, concluding that the structural responses obtained comply with what is established for seismic-resistant housing in the
Ecuadorian Construction Standard.
Keywords: modulus of elasticity; straw bale; housing; sustainability.
Determinación de las características del fardo de paja de trigo, como
desecho agroindustrial para su aprovechamiento como material de
construcción
Resumen.- El objetivo de esta investigación es determinar las características físico-mecánicas de los fardos de paja producidos
en Ecuador, para definir su posible uso en la construcción de viviendas sismorresistentes. Para lo cual, se utilizaron métodos
experimentales propuestos por Vardy (2006) en los fardos, variando su posición para pruebas de carga en plano y canto.
Obteniendo así el módulo de elasticidad del fardo desnudo y revocado en sus caras, con un mortero en base de cal, cemento
y fibras naturales previamente diseñado. Se determinó que el máximo módulo de elasticidad del fardo revocado varía entre
12,98 y 18,67 MPa. Estos valores fueron utilizados para realizar el modelamiento estructural de una vivienda tipo, mediante el
uso de un software, para proponer una solución habitacional que fomente el uso del fardo de paja producido en Ecuador para
la construcción de viviendas sismorresistentes. Del análisis de este modelo se concluye que las derivas inelásticas máximas
de la estructura propuesta, con mampostería portante realizada con los fardos de paja, son menores al 2 %, con un revoco de
espesor de entre 3 y 4 cm, concluyendo que las respuestas estructurales obtenidas cumplen con lo establecido para viviendas
sismorresistentes en la Norma Ecuatoriana de la Construcción.
Palabras clave: módulo de elasticidad; fardo de paja; vivienda; sustentabilidad.
Recibido: 26 de septiembre, 2020.
Aceptado: 28 de noviembre, 2020.
Autor para correspondencia:
Correo-e:lviera@uce.edu.ec (P. Viera)
1. Introducción
En Ecuador, según datos oficiales INEC
(Instituto Nacional de Estadísticas y Censos) [1]
y RIMISP (Rimisp-Centro Latinoamericano para
el Desarrollo Rural) [2], la tasa de pobreza
extrema multidimensional a nivel rural creció
de 39,9 % a42 % en el año 2019. La falta de
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recursos económicos, se refleja también en el
déficit cualitativo de vivienda para esta misma zona
a nivel nacional de 95,3% según datos del último
censo INEC [3].
Una de las principales fuentes de sustento
económico de la población rural es la actividad
agrícola. La cosecha y siembra de diversos
productos representa una de la amplia gama de
actividades relacionadas con la explotación de
recursos naturales, la cosecha y siembra de trigo
es una de ellas, sobre todo en la región rural
de la Sierra. De acuerdo al MAGAP (Ministerio
de Agricultura y Ganadería) [4], las provincias
de producción triguera son Pichincha, Imbabura,
Chimborazo, Bolívar, Carchi. Siendo Pichincha
la que más producción aporta con un 27 %,
le sigue Imbabura con 26 %, para un total
de superficie sembrada y cosechada de trigo
de aproximadamente 9.140 y 8.980 hectáreas
respectivamente. Cabezas [5] cita un rendimiento
de producción de trigo en el país de 2,5 toneladas
por año. Sin embargo, en la zona rural de estas
provincias se registra un déficit cualitativo de
vivienda de 6,6 %; 2,4 %; 3,2%; 1,7 % y 1,3 %
respectivamente [6].
Dentro de la producción de trigo, la paja
es un desecho que se empaca en forma de
fardos prismáticos y constituye aproximadamente
la mitad de la vegetación que se puede cosechar
de un cultivo además de ser reutilizable, término
referido al hecho que normalmente este desecho es
empleado para el alimento del ganado. También
se usa para cubrir suelos en contra de heladas,
para oxigenar los suelos de cultivos, abono o
simplemente como piso para establos. De acuerdo
con varios autores, Martínez [7] y [8], en el
mundo se registran más de 600 millones de
hectáreas de cereal, por cada tonelada que se
cosecha para el consumo, se generan 1,5 toneladas
de paja como un residuo o desecho agrícola y
de aquello el 90 % se quema. Ponce [9] afirma
que en Chile se queman mas de 4 toneladas de
paja, material que de ser utilizado se aprovecharía
para construir 100 viviendas. Por consiguiente el
porcentaje que se desperdicia de este material es
significativo y puede aprovecharse haciéndose un
enfoque en la bioconstrucción con paja mediante
una caracterización del material.
La paja es un desecho agroindustrial que está
constituida por el tallo seco de los cereales y
plantas fibrosas, específicamente entre la raíz y
la espiga, conociendo que existen pajas de trigo,
escanda, centeno y arroz [7]. Minke [10] afirma
que la paja es un material sostenible debido a
los beneficios que ofrece no solo en el ámbito
de la agricultura (necesidad de reducción de CO2)
sino también en que es un material que no emite
CO2u otros gases que pudieran afectar y generar
un impacto ambiental negativo. Según Bernal
[11], 10 kilogramos de paja de trigo absorben
14 kilogramos de dióxido de carbono, los cuales
retienen durante el plazo de su vida.
Es necesario acotar que el impulso de utilizar
este material sobre todo en las zonas rurales del
país recae también en el hecho de que al ser un
material amigable con el ambiente y que a su
vez se complementa con materiales propios de la
zona, el emplazamiento de viviendas unifamiliares
aprovechando el porcentaje de fardos de paja que
se quema, representa una opción viable de vivienda
digna, accesible económicamente y de fácil
construcción para la sociedad que vive en dichas
zonas. Pachala [12] realiza una comparación de
presupuesto referencial para tres tipos de viviendas
ubicadas en la provincia de Bolívar-Guaranda:
Casa unifamiliar con muros de paja portantes,
con estructura metálica y mampostería de bloque,
y con estructura de hormigón y mampostería
de bloques, obteniendo $10.066,18 $17.856,25 y
$20.456,38 respectivamente, en donde se evidencia
la diferencia económica notable del uso del fardo de
paja con respecto a los materiales de construcción
generalmente utilizados.
Con el aprovechamiento de este desecho;
la actividad agrícola puede ser redireccionada
a una gestión sostenible en el ámbito de la
construcción [13]. El fardo de paja en conjunto
con otros materiales comúnmente empleados en
la edificación de viviendas, tales como madera,
barro, arcilla cal y cemento, garantizan la
posibilidad de levantar estructuras sostenibles con
el medio ambiente, por tal motivo, el compósito
empleado que conforma la cara del fardo, es
un revestimiento con menor coste energético y
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suficientes propiedades resistentes para ser usado
en la construcción, la investigación incorpora
cal hidráulica para disminuir la cantidad de
cemento en la fase matriz, y en la fase dispersa,
usa fibras naturales extraídas de la planta de
yute (corchorus capsularis) [14]. Su diseño
además tiene como beneficio la reducción del
impacto ambiental negativo, fomentando el uso de
materiales alternativos, ecológicos y sustentables
cuya fabricación reduzca la energía que se ocupa
durante su elaboración, y que, en conjunto con los
fardos de paja garantizan una obra ecológica.
Con los fardos de paja, se asegura la inclusión de
una alternativa con bioconstrucción sostenible, de
hecho, las construcciones más antiguas registradas
y que actualmente siguen en pie datan entre 1900
y 1914 [15], en Europa tenemos “La Maison
Feuillete” construida en 1921 y que actualmente
se usa como sede del Centro Nacional para la
Construcción con Paja de Francia [10], poco
después de 1993 en Holanda se presentó el
auditorio para la feria internacional de horticultura
y jardinería “Floriade 2002”, considerado el
edificio público más grande de Europa construido
con fardos de paja. Martínez [7], plantea que
gracias a estas obras, las construcciones con paja se
han extendido por todo el mundo; EE.UU., Francia,
Canadá, Inglaterra, Austria, Dinamarca, Australia;
de manera que en la actualidad la construcción
con este material esta presente en casi todos los
continentes: África, Sudamérica, Norteamérica,
Europa, Asia, entre otros.
La importancia de este estudio radica en que
aporta datos, que antes de esta investigación
no existían, acerca de las características físicas
y mecánicas de los fardos producidos en el
Ecuador para posibilitar a los profesionales de
la construcción, el modelamiento estructural de
edificaciones a ser construidas con este material.
Esta caracterización se realizó mediante ensayos
de laboratorio en base a normativa nacional
e internacional (INEN-ASTM), estudiando al
material con y sin revoco de acuerdo a la
metodología aplicada por varios autores, Garas
[16], Maraldi [17], Romans [18]; [19] y Rodríguez
[20], especialmente Vardy [21]. El uso de mortero
como recubrimiento de la mampostería portante
realizada con fardos, permite que el conjunto fardo-
revoco funcione como una estructura del tipo
sándwich donde la piel es el elemento mortero,
y el núcleo es el fardo de paja, cuyo principio se
basa en que los revestimientos absorben parte de
los esfuerzos y cargas además proporcionan rigidez
al conjunto.
Esta investigación, por tanto, representa además
una alternativa al desarrollo rural del Ecuador
en la construcción de vivienda. Por tal razón,
y acompañado de las crecientes soluciones
sostenibles a nivel mundial, se espera que los
resultados obtenidos sirvan como punto de partida
para otros estudios que permitan el desarrollo
e implementación de una normativa constructiva
técnica nacional respecto del uso de fardos de paja
en la construcción. Los resultados obtenidos del
módulo de elasticidad, esfuerzos a compresión,
densidades y contenidos de humedad son un
aporte para la tecnificación de la construcción
con fardos de paja producidos en el Ecuador
y posibilita el modelamiento estructural. Como
ejemplo se presenta una vivienda tipo de 120,35
m2, en donde se comprueba que las respuestas
estructurales (derivas de piso) cumplen con los
requisitos estipulados en la Norma Ecuatoriana de
la Construcción [22], por lo tanto, el fardo de paja,
es apto para su uso en la construcción.
2. Metodología
2.1. Recolección, procesamiento y análisis de
datos
Esta investigación es experimental y se basa
en procedimientos establecidos en la normativa
nacional ecuatoriana INEN (Instituto Ecuatoriano
de Normalización) y normativas internacionales
ASTM (American Society of Testing Materials)
escencialmente para la elaboración y diseño
de las mezclas, elaboración de especímenes de
prueba, aproximación de metodología basada en
investigaciones internacionales como el de Vardy
[21] para la obtención del módulo de elasticidad de
los fardos de paja.
2.2. Materiales
Los materiales que conforman el mortero se
pueden visualizar en la Tabla 1.
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Tabla 1: Materiales del mortero
Material Especificación
Cemento Hidráulico
tipo GU-HOLCIM
NTE INEN 2380
[23](ASTM C 1157) [24]
Cal hidráulica T-30 (NHL) NTE INEN 247
(ASTM C207) [25, 26]
Arena gradada Cantera Fucusucu
III-San Antonio-Quito.
Fibras naturales-yute
(corchorus capsularis)
Longitudes nominales
de 2,5 a 5 cm
Agua Red-Distrito
Metropolitano de Quito
2.3. Mortero
En la presente investigación se utilizó un
revoco con características estructurales [21] que
incorpora fibras en su dosificación, cuyo mortero
de resistencia de 14,10 MPa cumple con la
resistencia mínima de 6,89 MPa establecida por
RB473 [27] para morteros cal-cemento aplicados
en la construcción con fardos, valores que se
puede observar en la Tabla 2, en concordancia
además con Avon [28] y Solé [29], en donde
se construyen muros con fardos de paja y se
establece una resistencia mínima de 8 MPa para
que el mortero sea suficientemente resistente. El
diseño de este mortero se estableció en función
de la Norma ASTM 305-14 y ASTM C192-16,
así como la realización de ensayos de pruebas
de carga para esfuerzo a compresión, módulo
estático de elasticidad y coeficiente de Poisson, las
condiciones de ensayo para Elasticidad y Poisson
fueron lecturas cada 2,5 kN, gradiente de aplicación
de carga 0,03 MPa/s, finalización de carga a 15 %
de la rotura y una velocidad mínima de 0,10 s1.
2.4. Fardos de paja
2.4.1. Provisión de fardos
Los fardos de paja para el estudio fueron
obtenidos directamente desde la parroquia rural
Calacali (Figura 1), donados por el Ing. Jorge
Dávila.
El trigo es un producto propio de dicha zona, en
el cantón de Pichincha, específicamente Calacali
existe área de producción de trigo de paja de
605 hectáreas [39]. Los fardos fueron trasladados
hacia la Universidad Central del Ecuador para
Figura 1: Enfardadora
su almacenamiento adecuado en el Laboratorio
de Ensayo de Materiales y Modelos ubicándolos
y apilándolos cuidadosamente sobre tabiques de
madera evitando el contacto directo con el suelo y
protegiéndolos de la humedad.
2.4.2. Almacenamiento
Los fardos son almacenados encima de pallets
de madera (Figura 2) evitando el acercamiento
directo con el suelo para evitar el contacto con
residuos y principalmente la humedad, los mismos
deben ser cubiertos en su totalidad y así evitar el
deterioro debido al contacto de agua, lo que genera
por consiguiente su pudrición e inhabilita su uso.
Figura 2: Fardos almacenados en laboratorio
Maraldi y colaboradores en [40] y [41] coinciden
en que, para revocar al fardo, ya sea con un mortero
hecho con cal o con yeso, es necesario pulirlo, de
tal forma que los restos de la paja que sobresalen
de cada una de las caras puedan definirse en una
longitud aproximada, de esta manera se garantizó
un recubrimiento adecuado con un espesor definido
en toda el área de la cara del fardo.
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Tabla 2: Esfuerzo a compresión, módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson
Id. Dosificación Esfuerzo a compresión axial
(MPa)
Módulo estático
de elasticidad
(MPa)
Coef. de
Poisson
M4 0.75C 0.25 cal 3A
1 %FY 20 %H2O
7 días 14 días 28 días 28 28
7,45 8,43 14,1 24859,08 0,21
Normativa ASTM C 305, NTE
3124 [30](ASTM
C 192 [31]) y NTE
INEN 2518 [32]
(ASTM C 270 [33])
NTE INEN 1573:2010 [34]
(ASTM C 31 [35]), ASTM
C 496-17 [36], NTE INEN
3124 (ASTM C 192M-18
[31] y ASTM C 511 [37])
ASTM C 469 [38]
2.4.3. Densidad y Contenido de humedad
Para la caracterización del fardo desnudo (no
revocado), es necesario determinar su contenido
de humedad y densidad aparente, de manera que
cumplan con los requisitos previo a su uso, por tal
motivo se realizó la medición de las dimensiones
de los fardos de paja, su respectivo pesaje según
se muestra en la Figura 3 y la determinación de su
contenido de humedad.
Para la obtención del contenido de humedad se
utilizó el equipo F-2000, este aparato mostrado en
la Figura 4 se utiliza mundialmente para asegurar
y a su vez mejorar el control de calidad en cuanto
a contenido de humedad se refiere, ya que dispone
dentro de sus características un rango de humedad
de entre 6–40 % y es empleado para verificar dicha
característica del heno en la hilera o en los fardos.
Figura 3: Obtención del peso de fardo
Acotándose que para caracterizar el fardo de paja
en cuanto a densidades, es necesario realizar la
corrección por humedad del peso de cada uno de
los especímenes, todo ello conforme la normativa
estadounidense RB476-13 [27].
Figura 4: Ensayo de contenido de humedad
2.5. Revocado de los fardos de paja
Con la dosificación especificada, se procede
al cálculo de la cantidad de materiales. Para el
encofrado de los fardos se empleó tabla típica
rústica de 5 cm de espesor, material que se presenta
en la Figura 5, se programaron dos días para
el trabajo donde los encofrados presentados se
emplean para revocar el primer lado de los fardos,
para posteriormente al día siguiente desencofrar y
realizar la colocación del mortero en la otra cara
de la mampostería. Cada encofrado tiene señalado
en su interior el nivel de referencia para cumplir
un espesor adecuado de variación entre 3–4 cm,
en la Figura 6 se pueden observar los primeros
fardos revocados, con el mismo procedimiento se
revocaron los siguientes fardos.
Se programó el ensayo de Módulo de
Elasticidad-Resistencia a la compresión a los
28 días.
2.6. Módulo estático de elasticidad en fardos de
paja desnudos (no revocados)
Para la determinación de la propiedad se toma
como base la investigación de Maraldi [41]
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Figura 5: Encofrado tipo para revoco
Figura 6: Revoco de fardos de paja
denominada “Analysis of the parameters affecting
the mechanical behavior of straw bales under
compression”. En esta investigación se caracterizan
fardos de diferente tipo, el estudio clasifica al
fardo hecho con trigo, avena y “otros materiales”
prediciendo el módulo de elasticidad mediante el
modelo Ep2ecuación cuyo concepto establece
que el módulo de elasticidad se puede predecir
mediante la densidad del material al cuadrado,
por consiguiente es una relación directamente
proporcional. La investigación citada se resumen
en la Tabla 3.
Tabla 3: Relación entre el módulo de elasticidad
del fardo de paja y la densidad para diferentes
subgrupos
Relación Denominación Posición Relación
Ep2
1 Otros Plano 26,25p2
2 Otros Canto 25,53p2
3 Trigo Plano 12,05p2
4 Trigo Canto 11,51p2
5 Avena Plano 16,65p2
6 Avena Canto 13,90p2
Donde el valor del módulo de elasticidad se
encuentra en Pa y la densidad en kg/m3.
2.7. Módulo estático de elasticidad en fardos de
paja revocados
Para la determinación del módulo estático de
elasticidad se empleó 2 deformímetros ubicados
en la parte izquierda y derecha del fardo de paja
revocado los cuales se observan en la Figura 7 y 8;
y se ocupó la norma ASTM C469 [38] para dicho
ensayo con el método de la tangente cuerda, para
la obtención del módulo se utilizó la ecuación (1).
E=σ2σ1
ε20,00005,(1)
donde E: módulo de elasticidad cuerda en M Pa,
σ2: esfuerzo correspondiente al 40% de la carga
de rotura, σ1: esfuerzo correspondiente a una
deformación longitudinal ε1de 5 millonésimos
MPa, ε2: deformación longitudinal producida por
el esfuerzo σ2.
Figura 7: Ubicación de los deformímetros longitu-
dinales para ensayo de módulo de elasticidad
En la Figura 9 se presenta un esquema general
de un ensayo típico, se visualizan los datos a
considerar en el método tangente-cuerda para la
obtención del módulo,según la ecuación (1). Se ha
seleccionado el método de la tangente cuerda ya
que dicho procedimiento toma en consideración
el mayor número de datos para el cálculo del
módulo de elasticidad, además de la deformación
longitudinal de 5 millonésimos MPa la cual se
considera el valor más real para obtener esta
propiedad.
Cabe recalcar que, inicialmente se obtuvieron 2
módulos de elasticidad para cada fardo revocado
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Figura 8: Dispositivo de acoplamiento para
deformímetro longitudinal
Figura 9: Método de la tangente-cuerda, gráfico
esfuerzo vs deformación
debido al empleo de 2 deformímetros por ensayo,
posteriormente a aquello, se consideró necesario
realizar un promedio de las deformaciones
obtenidas por cada nivel de carga, realizando las
correspondientes curvas σvs εy diferenciándose
de acuerdo a las condiciones de los ensayos
(orientación en plano o canto y de acuerdo a espesor
del recubrimiento); determinando de esta manera
el módulo de elasticidad promedio experimental
para fardos de paja en posición plano, canto y con
espesor de 3 a 4 cm.
Para el caso de σ1se tomo el rango de
datos de esfuerzo y deformación determinándose
la pendiente de esta sección al momento del
asiento del cabezal en el revoco del fardo
para multiplicarse por la deformación de 5
millonésimos, obteniéndose σ1yε1(0,00005).
Para σ2se consideró la toma de datos hasta el
40 % de la carga de rotura y por ende esfuerzo
proyectado, se tomó el rango de esfuerzo y
deformación para el cálculo de su pendiente,
calculándose de esta manera σ2yε2y por ende el
cálculo del módulo E. Vardy [21] realiza el cálculo
del módulo de elasticidad con la metodología del
módulo cuerda, la diferencia en el cálculo de la
propiedad con la presente investigación recae en la
consideración del σ2más allá del 40% de la carga
de rotura, esto no fue posible para el estudio dado
que fue necesario el retiro de los equipos antes de
la rotura para asegurar la integridad de los mismos.
2.8. Modelación de vivienda unifamiliar en
ETABS
Para comprobar el posible uso del desecho
agroindustrial estudiado en la construcción, se
realizó la modelación estructural de una vivienda
(120,35 m2) con muros portantes de fardos de paja
en donde se utilizó como dato necesario el módulo
de elasticidad obtenido en esta investigación.
La estructura modelada posee 2 pisos, misma
que se observa en la Figura 12, con una altura
de entrepiso de 2,75 m; con cubierta y el sistema
estructural conformado por muros portantes de
fardos de paja revocados con las propiedades
obtenidas. El entrepiso es un entablado de madera
con espesor de 3,5 cm; cubierta con altura de onda
(espesor modelado) de 3,7 cm. Vigas perimetrales
de entrepiso de 20 ×25 cm, para soporte de cercha
más cubierta de 6,5×14 cm, longitudinales e
interiores 6,5×14 cm y para conformación de
cerchas de 4,5×9cm. Todo el material a excepción
de los muros, corresponde a madera tipo B,
madera denominada “Colorado” [42], misma que
no presenta ningún ataque microbiológico o de
insectos, no tiene deficiencias de secado, alabeos,
fendas, deformaciones ni desgarros y que cumple
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con todas las especificaciones tanto mecánicas,
técnicas y tecnológicas. Un detalle de aquellas
especificaciones se puede observar en la Tabla 4.
Tabla 4: Especificaciones técnicas para madera tipo
B [15]
Esfuerzo a
la flexión
150 kg/cm2
Tracción
paralela a
las fibras
105 kg/cm2
Compresión
paralela a
las fibras
110 kg/cm2
Se presenta la configuración arquitectónica en
planta para el piso 1 y 2 en las Figuras 10 y 11,
en la mismas se pueden observar la distribución de
espacios.
Figura 10: Vista en planta, primer piso de vivienda
unifamiliar con muro de fardos de paja
A continuación, se puede observar la vivienda
modelada en 3D y en la Figura 13 se presenta
una sección de la configuración del material tipo
sánduche (revoco-fardo-revoco), sistema a modelar
en ETABS más adelante.
Se presenta una sección del material tipo
sánduche caracterizado, y su ubicación en la
vivienda.
Figura 11: Vista en planta, segundo piso de
vivienda unifamiliar con muro de fardos de paja
Figura 12: Vista en 3D de vivienda unifamiliar con
muro de fardos de paja revocados
Figura 13: Muro de fardo de paja, sección vista tipo
sánduche
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3. Resultados y discusiones
3.1. Resultados
Se presentan los resultados obtenidos realizada
la caracterización del fardo de paja antes y después
del revoco aplicado.
3.1.1. Contenido de humedad
El contenido de humedad promedio de los 20
fardos que conforman la muestra es 10,3 %. Para
una mejor observación e interpretación de estos
resultados con el límite máximo de contenido de
humedad, se presenta la Figura 14, la misma que
detalla el contenido de humedad obtenido en cada
fardo de paja.
Figura 14: Fardo de paja vs. Contenido de humedad
Por consiguiente, los fardos de paja cumplen con
dicha disposición ya que los resultados obtenidos
no sobrepasan el límite máximo permisible.
3.1.2. Densidad aparente
La normativa estadounidadense RB473 [27]
en su apéndice denominado “Construcción con
fardos de paja”, estipula la necesaria corrección
por humedad que se debe realizar en el peso de
los fardos de paja previo cálculo de la densidad
aparente. Dicha corrección consiste en determinar
el valor representativo del contenido de humedad
en el fardo de paja, posteriormente restarlo del
peso del material y proceder al cálculo de la
densidad mediante la relación masa sobre volumen
de acuerdo con la ecuación (2).
D.A=
Pe so f ar do − (Peso ·ContHumedad )
Volumen (2)
En la Figura 15 se presenta el esquema repre-
sentativo de los valores de densidades aparentes
corregidas cuyo promedio fue 88,83 kg/m3, de tal
forma que se puede observar que ningún valor es
inferior al valor mínimo permisible ni superior
al valor máximo permisible, por consiguiente,
todos los fardos de paja cumplen los requisitos de
caracterización para su uso.
Figura 15: Densidad de fardos de paja corregidos
vs. Fardo de paja
3.1.3. Módulo de elasticidad en fardo de paja
desnudo
La investigación se enfocó únicamente en el
fardo hecho a base de trigo, por tal motivo, se
seleccionó la relación 3 y 4 de la Tabla 3, no
obstante, es necesario aclarar que los resultados de
los investigadores en las ecuaciones seleccionadas
se determinaron con una densidad promedio del
fardo de paja de 146,1 kg/m3. Se realizó una
relación entre dicha densidad y la obtenida de
manera experimental de los fardos recogidos
en Calacalí, que es en promedio 88,83 kg/m3,
determinándose en la Tabla 5 las siguientes
ecuaciones para el presente estudio.
Con esta relación se procede al cálculo del
módulo de elasticidad del fardo de paja desnudo (no
revocado), se diferencian por posición y espesor de
revoco con la finalidad de discutir el módulo con y
sin revestimiento, estos resultados se observan en
la Figura 16.
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Tabla 5: Relación ep2obtenida
N Identificación Posición Relación
Maraldi
et al
Relación
obtenida
3 Trigo Plano 12,05p27,33p2
4 Trigo Canto 11,51p26,99p2
Figura 16: Cálculo del módulo de elasticidad del
fardo de paja sin recubrimiento
3.1.4. Módulo de Elasticidad Promedio Experi-
mental de fardo de paja revocado
Una vez realizada la gráfica esfuerzo vs
deformación experimental para obtener el módulo
de elasticidad de la mampostería, será necesario
ponderar los esfuerzos a compresión obtenidos,
para el caso de posición plana e: 3 cm, posición
plana e: 4 cm, posición canto e: 3 cm y en posición
canto e: 4 cm. Además, así como se obtuvo un
módulo de elasticidad promedio, es ideal asumir
una sola constitución (dimensiones de los fardos
para cada caso) diferenciando la posición y el
espesor. Con estos datos y habiéndose obtenido
las deformaciones generalizadas (promedio) para
cada caso se presentan en la Figura 17 los valores
generalizados promedios previo al cálculo del
módulo de elasticidad en fardos de paja revocados.
Determinándose los siguientes módulos de
elasticidad en la Tabla 6, aplicado la metodología
de Vardy [21].
Figura 17: Datos de deformaciones y esfuerzos para
módulo de elasticidad promedio experimental
Tabla 6: Esfuerzo y módulo de elasticidad en fardos
de paja revocados
Posición
e
(cm)
Prom
δmáx
(MPa)
A
(cm)
L
(cm)
H
(cm)
E
(MPa)
Plano 3 0,43 48 63 33,9 13
4 0,48 49,6 62 34,2 13,1
Canto 3 0,37 38 62 47,3 15,7
4 0,42 38 61,4 46,7 18,7
3.1.5. Módulo de elasticidad y densidad de fardos
de paja revocados
En lo referido a la Figura 18, se puede observar
la relación directamente proporcional que existe
entre la densidad de los fardos de paja revocados y
el módulo de elasticidad (ED), a medida que más
alto sea la densidad de los fardos de paja revocados,
mayor será el módulo de elasticidad para los
mismos. Se obtienen mejores resultados en cuanto
a módulo de elasticidad se refiere cuando el fardo
se encuentra dispuesto en posición canto, derivado
de una densidad mayor con respecto a los fardos
en posición plano, esto se debe a la posición propia
del fardo, al ser revocado en posición canto el peso
del mortero empleado es superior comparado con
la posición plano.
3.1.6. Derivas de piso
Con la caracterización realizada al mortero y
fardo de paja, se procedió a realizar la modelación,
empleando un sistema de muros portantes cuya
base de la vivienda es el propio material estudiado
(revoco-fardo-revoco), visto en la Figura 13. De la
modelación planteada posterior a la caracterización
para la evaluación del fardo de paja como material
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Figura 18: Relación módulo de elasticidad vs.
Densidad de fardos de paja revocados
de construcción, se obtuvieron las derivas de piso
para los casos de muros con fardos de paja en
posición plano y canto, variando el espesor del
revoco de 3 a 4 cm, se presenta las derivas máximas
obtenida para el caso posición plano e: 3 cm en la
Figura 19.
Figura 19: Deriva de piso sentido xeypara modelo
fardos posición plano e: 3 cm
De los resultados obtenidos para derivas
inelásticas máximas, se puede analizar que la
mismas se reducen para posición de plano en
sentido xen 4,08 % y en sentido yen 4,23 %,
posición de canto en sentido xen 14,77 % y
en sentido yen 14,43 % cuando se emplean
fardos con un espesor de recubrimiento de 4 cm,
por consiguiente, se obtienen mejores resultados
cuando el revoco es mucho mayor como se observa
en la Tabla 7.
Tabla 7: Derivas inelásticas máximas
Espesor
(cm)
Posición
Plano Canto
x y x y
3 1,96 % 1,89 % 2,03 % 1,94 %
4 1,88 % 1,81 % 1,73 % 1,66 %
mínimo 1,88 % 1,81 % 1,73 % 1,66 %
3.2. Discusiones
3.2.1. Densidad aparente corregida
Réseau Francais RFCP [43], RB473 [27] y [40],
coinciden en que para el empleo del fardo de
paja como material para la construcción, se debe
cumplir con una densidad de entre 80–120 kg/m3.
Si se empleara el fardo tomando en consideración
los valores, previa corrección por humedad, se
obtiene que el promedio general de densidades con
respecto al límite máximo permisible cumple con
este requisito en un 82,52 %, es decir un porcentaje
aceptable e idóneo. No obstante, es necesario
realizar la corrección por humedad debido a
las consecuencias que conlleva el uso de fardos
húmedos, por tal motivo al realizar la corrección
por humedad el cumplimiento de este requisito y
que se visualiza en la Figura 15 se disminuye en un
74,03 %. Cabe recalcar que este último porcentaje
representa la densidad promedio aparente de 88,83
kg/m3. Investigaciones como las de varios autores,
[16], [44], caracterizan al fardo previo a su uso con
un contenido de humedad general de 11,02–19 %,
es decir, superior al valor representativo usado en
la presente investigación y para densidad promedio
84,75 kg/m3.
3.2.2. Contenido de humedad
Según varios autores [45], [27] y Resa [46],
para el uso de fardos en la construcción estos
deben cumplir con un contenido de humedad menor
al 15 %, se puede observar en la Figura 14 que
las muestras cumplen con dicho requisito. Por
ende la caracterización del fardo de paja sigue un
cumplimiento totalmente aceptable.
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3.2.3. Módulo de elasticidad de fardo de paja sin
revoco
En la Figura 16 se presenta los resultados
correspondientes a la determinación del módulo de
elasticidad de los fardos de paja sin la aplicación de
un revoco, de acuerdo al modelo propuesto Maraldi
[40] de predicción de módulo de elasticidad en
función de la densidad del material, los resultados
obtenidos identifican a un material con un módulo
pequeño de entre 0,052–0,06 MPa característico de
un espécimen totalmente flexible que incursiona en
el rango no lineal de manera brusca debido a las
solicitaciones de carga. En el caso de Maraldi [41]
obtienen resultados entre 0,08–0,11 MPa, valores
más altos debido a la densidad superior de 146,1
kg/m3por encima con respecto a la del presente
trabajo que fue de 88,83 kg/m3, corroborándose
la relación que afirma que el módulo aumenta a
medida que la densidad de este material es mayor,
lo que se relaciona típicamente con una mejora en
el comportamiento del material.
3.2.4. Módulo de elasticidad de fardo de paja
revocado
Debido a este comportamiento impredecible
por la constitución propia del fardo, varios
investigadores citados anteriormente recomiendan
la caracterización del fardo de paja con un mortero
de recubrimiento, evidentemente el módulo de
elasticidad para este caso aumenta, debido al
cambio a material compuesto. Tal como se
evidencia en la Tabla 6 el valor máximo del
módulo de elasticidad en fardo desnudo (no
revocado) fue de 0,10 MPa, este valor aumenta
considerablemente cuando el fardo es analizado
individualmente con un revoco donde el módulo
máximo obtenido es de 18,67 MPa.
3.2.5. Esfuerzo a compresión de fardos de paja
Para el caso de esfuerzo a compresión se obtiene
que para fardos en posición plano con espesor de
3 cm se reduce 9,86 % la resistencia con respecto a
fardos con espesor de 4 cm; para el caso de fardos
en posición canto con espesor de 4 cm se reduce
en 12,29 % la resistencia con respecto a fardos con
espesor de 4 cm.
3.2.6. Relación Densidad Vs Módulo de Elastici-
dad
Referido a la Figura 18 se puede afirmar
que la relación presentada por Maraldi [40]
denominada “Assessment and modelisation of the
mechanical performance of straw bales for use
in construction” donde establecen una relación
directamente proporcional entre el modulo de
elasticidad del fardo en función de la densidad del
mismo; se cumple para el presente estudio.
4. Conclusiones
Los fardos en posición canto presentan un mejor
comportamiento del material, debido a su aumento
en el módulo de elasticidad, por otro lado para
fardos en posición plano su módulo es más pequeño
pero resisten mejor las solicitaciones a compresión;
esto significa que se puede disponer los fardos en
posición plano debido a que estos resisten mucho
más, pero también se puede considerar el empleo
en posición canto por ahorro de espacio en el área
de emplazamiento de una vivienda, tomando en
cuenta la configuración arquitectónica.
Respecto al comportamiento mecánico general
de los fardos de paja se puede concluir que
la configuración de los fardos puede generar la
suficiente rigidez para que esta sea capaz de
soportar cargas producidas por un muro portante,
de tal forma que su resistencia esta en función de su
posicionamiento (plano-canto), sus dimensiones,
densidad, el pretensionamiento de las cuerdas de
los fardos y fundamentalmente por el espesor de
recubrimiento que se le aplique.
El control de la forma y dimensiones estándar
de los fardos de paja representan un aspecto
importante para el aseguramiento de mejores
resultados estructurales, la forma de los fardos y
particularmente su esbeltez influye directamente en
la rigidez de un muro hecho a base de este material.
La falta de un control estricto sobre las
dimensiones de los fardos y por consiguiente
su densidad, afecta en ultima instancia a las
propiedades mecánicas de los mismos, razón por
la cual los resultados fueron bastante variables y
apenas controlables en un fardo con respecto a otro.
Este problema debe solucionarse en la producción,
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de esta manera se asegura la repetibilidad de
los resultados post-ensayo destructivo referido
al comportamiento mecánico del fardo de paja.
Es decir la caracterización del material y el
comportamiento mecánico están directamente
relacionados.
La caracterización física realizada en los fardos
locales cumplen con los requisitos previos a su uso
en la construcción, este comportamiento favorable
en conjunto con las propiedades mecánicas se
comprueba con los resultados obtenidos en la
modelación, puesto que de la simulación realizada
mediante software ETABS se concluye que las
derivas inelásticas máximas de la vivienda tipo son
menores al 2 % para los casos de sentido plano y
canto en sentido xeycon espesor de 3–4 cm,
por lo que cumple con los requisitos constructivos
establecidos por NEC “Cargas Sísmicas. Diseño
Sismo Resistente” y por consiguiente el material
es apto para su uso en la construcción.
Se obtuvieron mejores resultados a compresión
a medida que el espesor del revoco aumen-
ta,registrando un incremento de resistencia del
36,29 % en posición plano cuando el revoco pasa
de 3 a 4 cm, así como un crecimiento del 53,93 %
en posición canto cuando el revoco aumenta.
Los resultados servirán para aumentar el
conocimiento general de la construcción con
fardos de paja y su comportamiento estructural,
a su vez ayudará a aumentar la credibilidad de
uso aplicando este material como una técnica
de construcción convencional y proporcionará
una base para las futuras investigaciones sobre
el rendimiento estructural de paredes de fardos
revocados en el país.
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This paper is a presentation of compressive strength testresults on plastered straw bale block. Guinea corn – straw fiber were baled and plastered with mortar into straw bale blocks of fibers with an average of 6mm thickness, 11.2% moisture content, and baled at a density of range between 0.161-0.190 kg/ mm 2. The fiber blocks were subjected to vertical loading on different plaster thickness of 10, 15 and 20mm using 1:3, 1:4 and 1:6 mix proportion of cement to sand. The results showed that the maximum compressive strength of 6.046 N/mm 2 was obtained with amix ratio 1:3 and 20mm plaster thickness, while the minimum compressive strength of 1.698 N/mm 2 was obtained with a 10mm plaster thickness which meet the requirement of standard compressive strength of sand Crete block (1.8-2.5 N/mm 2) stipulated by the British standard (BS 6073).
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Straw bale construction has recently gained more confidence to be used as structural elements. A number of laboratory tests worldwide, show this system to be capable of supporting substantial service loads in case of proper baling, stacking, and plastering. In Egypt, growing attention is focused on examining this new trend of construction in order to solve the environmental pollution caused by burning millions of tons of straw every year. Two types of mobile straw baling mechanical powered press machines are commonly used in Egypt, private local small sized iron baling machines and Cicoria straw baling machines. These two baling systems have major differences in their end product physical properties, baling, and mainly their compressing techniques. Rare information is available about the mechanical characteristics of local bales. This paper is part of a pioneer national project aiming to use rice straw bales in building. The research aims to identify the specifications and characteristics of locally produced rice straw bales used for building. The bales are compressed under various compressibility conditions to identify the settlement that is expected to happen in most of the types of bales available in the market. Experimental studies are carried out on the effect of compressibility and baling on the quality of single un-rendered straw bales in general, and particularly it's displacement under vertical load. These experiments are conducted on single un-rendered bales from different sources, by applying incremental vertical load, reaching 50 tons. Results of corresponding displacements of different types of bales from different sources are recorded and compared together. It was found that bales compressed by private local small sized iron factories show the least displacement values that did not exceed 3.0cm when subject to a maximum of 50 ton vertical load. Finally, recommendations are given for safe application of such bales in construction.
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The structural performance of plastered straw bales under compressive loading is extremely important when considering the suitability of plastered straw bales as a construction material. Most currently available results do not investigate how different construction methods and practices can affect the strength of a plastered bale. The experiments discussed in this paper illustrate how the strength of the plaster, the thickness of the plaster and the orientation of the bale itself can affect the strength of the plastered bale. It was found that the bales plastered flat were 36% stronger than those plastered on edge. In addition it was found that although the plaster strength does affect the strength of the plastered bale, it does not have as significant an impact as the plaster thickness. It was also found that nearly all plastered bales tested had higher strengths than would be required in typical residential construction. The strengths were found to be in the same range as the values reported in the existing literature. The plastered bale modulus was found to be highly variable and un-predictable.
Article
Straw bale construction is a building technique that has excellent thermal performance and limited impact on the environment. Improving knowledge of the mechanical properties of straw bales is important to understand the behaviour of straw bale buildings, especially in case of natural calamities, where straw bales may carry mechanical load and act as a “surviving cell”. The results of extensive tests conducted on bales of different materials are presented. The influence of the material, bale density, bale orientation, baling process and loading rate on the mechanical properties of straw bales was investigated. Force-displacement curves obtained from monotonic compression tests were analysed and relationships between the mechanical properties of straw bales and their geometry and density were determined. Continuous measurements of bales lateral displacement allowed Poisson's ratio to be calculated and, using a simple model, the strain to which bale strings are subjected during loading was estimated. Young's modulus was shown to mainly depend on the square of the density, while no influence of the loading rate and of strings pre-tension was observed. The Poisson's ratio did not remain constant during loading and it exhibited a different trend depending on the orientation of the bales. Moreover, it was observed that for flat bales a rearrangement of the straw fibres during loading occured and the maximum strings strain remained limited. Strings strain reached higher values for on-edge bales instead, and strings bursts occured more frequently.
Centro Latinoamericano para el desarrollo rural, Reporte Técnico
RIMISP, "Pobreza y Desigualdad. Informe Latinoamericano," Centro Latinoamericano para el desarrollo rural, Reporte Técnico, 2019.
Sistema de información pública agropecuaria
  • Magap Ministerio De Agricultura Y Ganadería
Ministerio de Agricultura y Ganadería MAGAP, "Sistema de información pública agropecuaria. Boletín Situacional. Trigo, Ecuador," Gobierno de Ecuador, Reporte Técnico, 2017.
Relación del sector agrícola del trigo en la producción de harina en la provincia de Pichincha-Ecuador
  • E Cabezas
  • A Sotelo
E. Cabezas and A. Sotelo, "Relación del sector agrícola del trigo en la producción de harina en la provincia de Pichincha-Ecuador," Trabajo Especial de Grado para optar al título de Economista, Universidad Central del Ecuador, 2017.
Cambios en la estructura de créditos hipotecarios ecuatorianos luego de la aplicación de políticas públicas habitacionales
  • M Villegas
  • G Rodríguez
M. Villegas and G. Rodríguez, "Cambios en la estructura de créditos hipotecarios ecuatorianos luego de la aplicación de políticas públicas habitacionales. Período 2005-2015," Trabajo Especial de grado para optar al título de Magister en Finanzas, Escuela Superior Politécnica del Litoral, ESPOL, 2017.
Trabajo de grado para optar al grado en Fundamentos de Arquitectura
  • C Martínez
C. Martínez, "Estudio y Aplicaciones de las Construcciones con fardos de paja," Trabajo de grado para optar al grado en Fundamentos de Arquitectura, Universidad de Valladolid, 2019.
Building with Straw Bales: A Practical Manual for Self-Builders and Architects
  • B Jones
B. Jones, Building with Straw Bales: A Practical Manual for Self-Builders and Architects. United Kingdon: Green Books, 2015.