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ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PROYECTO CASA UNA M

Valentín Portillo Galván 1, Marcos M. Chávez Cano 2, María de los Ángeles Rodríguez Cortés 3,

Santiago Aurelio Mota Sosa 4

RESUMEN

CASA UNAM, es el nombre del representativo de la UNAM que concursó en el Decatlón Solar Europa 2014 y ganó el primer lugar en la categoría de Ingeniería y Construcción. Este concurso consiste en la construcción de una casa que entre muchas otras cualidades debe ser sustentable, inteligente y autónoma energéticamente. En este trabajo se presenta el análisis y diseño estructural de la casa con la que se compitió. La casa fue concebida mediante un sistema tridimensional de perfiles de acero formados en frío, donde se tomaron en cuenta varias características, desde el material hasta el medio de transporte que sería utilizado para su traslado al sitio del concurso, comparando las ventajas que ofrece esta propuesta respecto a las convencionales. Además, se analiza la factibilidad de su implementación como una alternativa para satisfacer la demanda de vivienda de la Ciudad de México.

ABSTRACT

CASA UNAM, is the name of the representative team of UNAM which competed in the Solar Decathlon Europe 2014 and won first place in the category of Engineering and Construction. This competition involves the construction of a house which among many other qualities must be sustainable, intelligent and energetically stand-alone. The structural analysis and design of the house which competed is presented in this work. The house was designed using a three-dimensional system with cold rolled steel profiles, where several features were taken into account to choose the system, like the material or the transport affordability by comparing the advantages offered by this proposal over conventional. Over more, the feasibility of its implementation is discussed as an alternative to satisfy the demand for housing in Mexico City.

ANTECEDENTES

El Decatlón Solar fue inaugurado en los Estados Unidos en 2002 por iniciativa del U.S. Department of Energy (DOE). Abierto a todo público, el Decatlón Solar es una competencia que une a distintas universidades de diversas partes del mundo para diseñar, construir y operar una casa prototipo con energía solar. Además, ésta debe consumir la menor cantidad de recursos naturales y producir un mínimo de residuos durante todo su ciclo de vida, reduciendo el consumo de energía. Las casas participantes son evaluadas en las siguientes diez pruebas:

• Arquitectura • Eficiencia Energética • Condiciones de Confort • Comunicación • Innovación • Ingeniería y Construcción • Balance de Energía Eléctrica • Funcionamiento de la Casa • Diseño Urbano, Transporte y Factibilidad • Sustentabilidad.

Resumiendo, los puntos que tiene que satisfacer la casa son: que sea asequible, atractiva, habitable, energéticamente autosuficiente, y pueda mantener condiciones ambientales interiores cómodas y saludables.

1 Becario, Instituto de Ingeniería, UNAM; Ciudad Universitaria #3000, Copilco Universidad, 04360, México, D.F. Teléfono:

(55)5623-3600 ext. 8410; Fax: (55) 5623-3641; vportillog@iingen.unam.mx 2 Investigador Asociado C, Instituto de Ingeniería, UNAM; Ciudad Universitaria #3000, Copilco Universidad, 04360, México,

D.F. Teléfono: (55)5623-3600 ext. 8410; Fax: (55) 5623-3641; mchavezc@iingen.unam.mx ³ Estudiante Maestría, Posgrado Ingeniería, UNAM ⁴ Estudiante Licenciatura, Facultad de Arquitectura, UNAM

XIX Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Pue rto Vallarta, Jalisco, 2014

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DESARROLLO DEL PROYECTO

El proyecto CASA UNAM inició en agosto de 2012 por iniciativa del estudiante de Arquitectura Santiago Mota, actual líder de equipo, quien comenzó con la formación del equipo y desarrolló las primeras propuestas para el diseño del prototipo. El proyecto fue enfocado para satisfacer la demanda de vivienda de los capitalinos, tomando en cuenta la falta de espacio para la construcción de nuevas viviendas Para elegir los materiales, el sistema constructivo y la conformación de las distintas piezas de la casa fue necesario tomar en cuenta dos aspectos; el objetivo de la propuesta urbana para construirla en una zona en específico de la ZMVM y el hecho de que la casa tenía que enviarse desarmada en contenedores para que pudiera construirse en los jardines de la ciudad de Versalles, el tiempo para construir la casa estaba limitado a 10 días y esta, una vez finalizada la competencia, debía ser desarmada en 5 días y traerla de regreso a la Ciudad de México. El sistema CASA UNAM es una tecnología asequible de construcción ligera compuesta por una serie de productos que ofrecen una solución energéticamente eficiente y personalizable de expansión de estructuras existentes, cuyo resultado ofrece edificaciones ambientalmente responsables, sustentables, proveedoras y rápidas de construir. La propuesta urbana trata de contrarrestar el crecimiento horizontal, el tiempo de viaje de los citadinos y por lo tanto mejorar la calidad de vida. CASA UNAM ha sido concebida para que sea construida aprovechando las azoteas de construcciones habitacionales horizontales en zonas urbanas bien comunicadas y céntricas. Mediante adaptaciones, se busca lograr una intercomunicación entre las viviendas CASA UNAM con las ya existentes (Fig. 1). Para la implementación de este prototipo de vivienda, se ha considerado la zona de la unidad habitacional Vicente Guerrero, en la delegación Iztapalapa del DF. Las áreas que por sus características estructurales y de espacio no tengan la posibilidad de albergar el sistema CASA UNAM, serían usadas como áreas verdes (Fig. 2).

Figura 1. Propuesta Comunidad en Azotea

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Figura 2. Propuesta de administración del espacio e n azoteas

La estructura de las cubiertas y del sistema de piso de la casa fue concebida mediante un sistema de armaduras tridimensionales formadas por perfiles formados en frío. Este sistema fue elegido por ser el más adecuado para los propósitos técnicos requeridos del proyecto, pues simplificaban el proceso constructivo, eran ligeros y reducían los costos para su traslado al lugar de la competencia en Francia. Además, que podía presentarse como algo innovador por el sistema constructivo para fines del concurso. A pesar de contar con tres frentes diferentes para la construcción de la casa, esta fue construida en 14 días, por complicaciones técnicas no previstas. La penalización aplicada por este retraso no influyo de manera importante en el puntaje final. El ensamble de la estructura fue realizado en 48 hrs. A lo largo de dos semanas por medio de un sistema de monitoreo continuo y por la evaluación de los jurados, fue que este proyecto ganó el tercer lugar en Sustentabilidad, el segundo en Urbanismo y el primero en Ingeniería y Construcción. En este último se evaluó la estructura entre otras soluciones ingenieriles para el buen funcionamiento de la casa. Finalmente la casa se desarmó, se embaló y se envió de regreso a la Ciudad de México donde será nuevamente armada para una exposición temporal. Descripción de la vivienda

La casa se divide en dos áreas: la pública y la privada. La privada tiene tres módulos diferentes: recámara, cocina y común. El módulo recámara contiene un baño y la recámara que también pudiera transformarse en una sala de estar. El módulo cocina contiene la cocina, el comedor y una mesa que también puede convertirse en una cama para visitas. Finalmente el módulo común, es en donde se encuentra el cuarto de lavado, un almacén y una mesa ajustable (Fig. 3). Este último módulo tiene el objetivo de ser utilizado por diferentes familias, las cuales vivirán sobre los diversos techos en diferentes módulos CASA UNAM. Estos módulos estarán intercomunicados, permitiendo una convivencia entre familias sobre las azoteas. El área pública son los espacios destinados a uso común como el módulo común y las interconexiones entre módulos, por ejemplo pasillos, escaleras para desniveles entre azoteas y áreas verdes.

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Figura 3. Áreas Privada y Pública Cuenta con varios elementos que la hacen sustentable, inteligente y ambientalmente responsable. Está equipada con un equipo de bajo consumo de energía. Por una parte, tiene paneles fotovoltaicos para el suministro de energía eléctrica, ubicados sobre la cubierta de los módulos (Fig. 4 y Fig. 5). La energía suministrada es consumida por la iluminación y electrodomésticos de bajo consumo con lo cual se logra que la casa pueda autoabastecerse de energía en un día soleado y producir energía. En términos prácticos, la casa produce el doble de energía de la que necesita y la energía sobrante podría utilizarse para abastecer a otras viviendas. Adicionalmente, la casa cuenta con una automatización de los elementos de iluminación y de circulación de aire que pueden controlarse desde consolas ubicadas en los distintos módulos o a distancia por medio de una aplicación Android.

Figura 4. Control Solar

Privada

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Figura 5. Colocación de Paneles Fotovoltaicos

Además, tiene un sistema de climatización pasivo (no eléctrico) en el cual interviene la orientación de la casa en muros y ventanas, la composición de los muros con la lana de piedra, la fachada ventilada (cerámica y espacio ventilado entre muro y cerámica) y los textiles horizontales y verticales (Fig. 6). Estos elementos también cumplían con la función de protección acústica (Fig. 7). El único elemento que consume electricidad para la climatización, de acuerdo con los cálculos, es un sistema de circulación de aire el cual funciona intermitentemente para controlar el CO₂, la humedad y, en ciertos casos, la temperatura.

Figura 6. CASA UNAM Versalles, Francia

Figura 7. Control Acústico

La casa está habilitada con un sistema de recuperación de agua pluvial y su tratamiento para usos como riego de plantas, limpieza doméstica y baño (Fig.8). El sistema de captación son textiles colocados en el techo, los cuales a su vez llevan el agua a contenedores ubicados en la parte inferior de la casa que son parte de un sistema de tratamiento (biológico y físico). El agua tratada es subida a un tinaco elevado para que el agua sea distribuida en toda la casa (Fig. 9) mediante un sistema de bombeo accionado por una bicicleta. El calentamiento del agua se hace de manera pasiva en general, si la energía solar no fuera suficiente, se cuenta con un calentador de respaldo que funciona con energía eléctrica (Fig. 9).

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Figura 8. Control y recuperación pluvial

Figura 8. Sistema hidráulico

La cimentación de la casa consiste en dos tipos de apoyos (Fig. 10): uno de ellos está formado por placas de madera agrupadas de manera que funcionaran como zapatas aisladas y que evitaron el hundimiento de la casa durante la competencia. El otro tipo de apoyo era de altura ajustable y se colocaron en diversos puntos de sistema de piso para mejorar la distribución de las cargas verticales y evitar concentraciones de esfuerzos. Estos apoyos son de fabricación comercial y soportan hasta una tonelada de carga. Cabe mencionar que este tipo de apoyos fueron necesarios por las características del lugar donde se iba a realizar la competencia. Para la colocación de CASA UNAM en azoteas se deberán realizar algunas adaptaciones.

Figura 10. Apoyos

Los materiales que se utilizaron en la construcción de la vivienda fueron: madera, acero, lana de roca, cerámica y textiles, lo que la hacen una vivienda sustentable.

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Descripción de la estructura

La casa prototipo está formada por acero. La cubierta y el sistema de piso están construidos a base de armaduras tridimensionales atornilladas de perfiles formados en frio (Fig. 11). Las columnas son circulares y fueron concebidas para que pudieran montarse y desmontarse de manera fácil y rápida. En la Fig. 12 se presenta una columna con su respectivo sistema de anclaje. Las columnas tambien sirvieron de apoyo para la colocación de tensores para rigidizar la estructura.

Figura 11. Estructura tridimensional

Figura 12. Conexiones con estructura de Apoyo Gener al y de Base Columna

Sobre el sistema de piso se colocaron los muros elaborados con el sistema Panel Rey. Los pisos y cubiertas interiores fueron de madera y estaban equipados con capas de materiales y elementos que sirvieron para lograr la continuidad térmica dentro las habitaciones, el aislamiento contra el sonido, humedad y el control del CO₂. En la parte superior, la cubierta del sistema estructural fue la responsable de soportar los paneles fotovoltaicos, el sistema de climatización pasivo y de recuperación de agua, es decir, los textiles horizontales y verticales (Fig. 13).

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Figura 13. Estructural CASA UNAM

Como se mencionó anteriormente, este sistema estructural es ligero y permite la modularidad de la casa. Hace posible que las viviendas de este tipo puedan adaptarse a las condiciones del lugar donde se desean desplantar (ejemplo casa terminada Fig. 14).

Figura 14. CASA UNAM Terminada

CARACTERÍSTICAS DE LOS PERFILES

El sistema tridimensional de acero laminado en frío ofrece alta resistencia y bajo peso, reduciendo la carga muerta de las estructuras. Esto también permitió reducir los costos de transporte (fundamental para el concurso). Es más resistente a la deformación a altas temperaturas en comparación con los perfiles laminados en caliente. Su punto de fluencia aumenta en compresión y flexión. Permite una mejor distribución de las cargas. Cubre claros grandes. Además, puede

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reciclarse. El acero formado en frio, facilita la fabricación de perfiles con secciones transversales poco comunes y de acuerdo a las condiciones del proyecto. Debido a que las conexiones de estos elementos son atornilladas, y a la prefabricación de las piezas, se simplifica el proceso constructivo. Con el adecuado mantenimiento, las estructuras diseñadas con este tipo de perfiles, pueden tener un periodo prolongado de vida.

ANALISIS DE LA ESTRUCTURA

A continuación se presentan algunos resultados del análisis de la estructura. Para realizarlo se tomaron en cuenta las condiciones de la zona IIIb Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (RCDF), que es la zona donde se planea será construida. El terreno es lacustre con coeficiente sísmico de c = 0.45, el más alto de todos. Dadas las características de la estructura (compuesta de acero y contraventeos) se eligió un factor de comportamiento sísmico Q = 3. El análisis sísmico se realizó con un análisis dinámico espectral, de acuerdo al RCDF. Por otra parte, la estructura también fue sometida a la fuerza ejercida por el viento tomando en cuenta el sistema de textiles que la cubren. Se tomaron en cuenta varias combinaciones de cargas con sus respectivos factores de seguridad, cargas vivas para la vivienda y cargas muertas de los elementos de acuerdo al RCDF. Por cuestiones del concurso, fue necesario revisar los manuales de diseño de Francia. Sin embargo, aplicando el RCDF, se obtuvieron las condiciones más desfavorables. Debe hacerse mención que una vez seleccionada la azotea del edificio sobre la cual se planea construir la casa, debe revisarle la interacción que habrá entre ellas.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Figura 15. Módulo Cocina en SAP2000 Figura 16. Corte transversal Per fil

Las propiedades de los materiales de los elementos estructurales se presentan en la Tabla 1. Las propiedades de los perfiles utilizados en la cubierta y el sistema de piso se presentan en la Tabla 2. En la tabla 3 se presentan las cargas resistentes de los perfiles (Fig. 16).

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Tabla 1. Propiedades del material Propiedades del material Valor

Esfuerzo de Fluencia (Fy) 344737 kN/m³

Módulo Elástico (E) 206000000 kN/m²

Peso Volumétrico (W) 76.97 kN/m³

Relación de Poisson (µ) 0.28

Tabla 2. Propiedades Perfil

Propiedades Geométricas Valor U

Area 1.4706 cm²

Xcg 1.25 cm

Ycg 0.9995 cm

Del centro de Gravedad

Inercia XX 0.73823 cm⁴ Inercia YY 1.21797 cm⁴

Momento Polar de Inercia 1.9562 cm⁴ Radio de Giro X 0.70851 cm

Radio de Giro Y 0.91006 cm

Tabla 3. Propiedades de Resistencia del perfil Resistencia Valor U

A Tensión (Td) 37.98 kN

Al Cortante (Vn) 8.65 kN

A Compresión (Pn) 17.99 kN

En las tablas 4, 5 y 6 se muestran los valores máximos de los elementos mecánicos de cada módulo:

Tabla 4,5 y 6. Máximos en Fuerzas (kN) y Momentos ( kN.m)

Para cocina P M2 M3

+ - + - +

P 13.10 -10.93 -6.30 -6.30 -0.79 -6.05

M2 0.0016 0.0014 0.0515 -0.0516 -0.0002 -0.0003

M3 0.0027 -0.0007 -0.0035 -0.0035 0.0347 -0.0404

Para común P M2 M3

+ - + - +

P 7.44 -6.09 -3.779 -3.779 -0.578 -3.725

M2 0.00004 0.00084 0.025 -0.025 -0.0002718 -0.0000139

M3 0.00130 0.00083 -0.0022 -0.0021 0.016 -0.020

Para recamara P M2 M3

+ - + - +

P 12.11 -9.69 -5.674 -5.675 -0.789 1.773

M2 0.00003 0.00019 0.043 -0.043 0.0106 -0.0083

M3 0.00220 0.00220 0.0051 0.0051 0.029 -0.036

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En los resultados del comportamiento de las barras obtenemos las distintas relaciones que tienen que ser menores o igual a uno. Si estas relaciones se toman como porcentuales, se observa que las barras más esforzadas son a compresión y de estas, la barra más esforzada se encuentra en la cocina con 74% de su capacidad (en Recámara a 64% y Común a 41%). Con estos resultados se observa que aún se puede se puede optimizar los perfiles para una producción en masa diversificando los distintos perfiles reforzando las zonas más desfavorables y no sobrereforzando las zonas menos esforzadas. De acuerdo al RCDF, la deflexión máxima permitida es:

MaxDeflexión � �������� � � 5 � 36.25�� (1)

Sin embargo, la deflexión más desfavorable obtenida en la cubierta es de 37 mm, por lo tanto, rigurosamente no pasa el RCDF, y debería hacerse una ligera modificación a la estructura reforzando algunos de sus elementos. Aplicando el sismo, la máxima distorsión que se tiene es de 0.002 y aplicando el viento, se tiene máximo una distorsión de 0.004. En el RCDF la distorsión máxima permitida es 0.020, por lo tanto, pasa en ambos casos.

CONCLUSIONES

En este trabajo se presentaron algunos detalles del proyecto CASA UNAM. De acuerdo a los resultados y a la experiencia obtenida en el concurso Decatlón Solar, Francia 2014, quedó demostrado que este proyecto es innovador, pues presenta un conjunto de elementos para el ahorro de energía. Por otra parte, es estético y sustentable, ya que cuenta con la optimización de los servicios adaptados al uso por su automatización; genera energía eléctrica y, en parte, es reciclable. Esta propuesta de casa es atractiva como una solución urbanística en México y que puede ser adoptada por las personas en su proyecto habitacional demostrando que es rentable a largo plazo entre otras ventajas tecnológicas que ofrece. Respecto al sistema estructural de CASA UNAM, se presenta una estructura que muestra una serie de ventajas en su aplicación como el tiempo de construcción, la facilidad de montaje y la modularidad que el sistema ofrece con respecto a los sistemas convencionales de construcción de vivienda. Las características de los materiales permiten diseñar una estructura con todas las ventajas del acero en cuanto a resistencia, a pesar de la ligereza de los perfiles formados en frio, y con las ventajas a compresión del acero formado en frío, siendo este el caso más desfavorable de estudio. Por otra parte, la naturaleza del sistema permite la modularidad de la estructura siendo posible cambio, crecimiento o adaptabilidad de acuerdo a las necesidades del proyecto.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a todo el equipo CASA UNAM por el apoyo brindado para la realización de este proyecto. A la Organización del Decatlón Solar por las facilidades otorgadas. Al Dr. Marcos M. Chávez Cano y al Instituto de Ingeniería de la UNAM por la asesoría y apoyo brindado para la realización de este proyecto.

REFERENCIAS

American Iron and Steel Institute (1996), “Especificación para el Diseño de Miembros Estructurales de Acero Conformado en Frío”, Manual para el Diseño de Acero Conformado en Frío – Parte V, Washington, DC. Gobierno del Distrito Federal (2004), “Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal”, Gaceta Oficial del Distrito Federal, México D.F.

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Gobierno del Distrito Federal (2004), “Normas técnicas Complementarias”, Gaceta Oficial del Distrito Federal, México D.F. Cristina Beatriz Ramírez Alva (2005), “ Diseño de Estructuras de Acero Formado en Frío Usando las Especificaciones AISI-96”, Tesis, Instituto Politécnico Nacional. Norma Europea (2003), “Acciones sobre las estructuras”.