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3D printing for construction: development of earth-based matrices stabilized with chitosan biopolymer and reinforced with natural sisal fibers
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-05) Zavaleta de la Cruz, Diana Carolina; Kim De Aguilar, Suyeon
In the last few years, 3D printing with robots or automated equipment has emerged as a technology with significant potential in the construction sector. This approach offers several advantages, including reduced construction time and costs, design flexibility, and the ability to use various materials. Earth, as a building material, has gained attention in 3D printing due to its eco-friendliness compared to cement. However, it remains relatively underexplored in this industry. Unfortunately, earth is known for its poor mechanical strength, water durability, and susceptibility to swelling, especially due to its clayey composition. These factors can lead to cracking during the drying process. To address these challenges, researchers have been investigating different materials for 3D printing, aiming to minimize the ecological footprint by using biodegradable materials or repurposing waste for stabilization. Recent studies have explored the use of biopolymers such as chitosan, alginate, and potato starch to enhance the mechanical and durability properties of earth-based mixtures. Additionally, the incorporation of natural fibers like sisal or jute has proven effective in reducing cracking in earthen structures. Considering the above, it would be advantageous for the construction industry to employ 3D printing to produce earth-based matrices stabilized with biopolymers and reinforced with natural fibers. Designing such matrices requires an approach that accounts for the yield stress suitable for 3D printing, ensuring the mixture possesses key printability characteristics such as extrudability, workability, and buildability. The evaluation of these properties in the fresh state, during hardening, and in the hardened state necessitates conducting various tests recommended by international standards and researchers. In order to outline a procedure for obtaining a printable matrix that meets the desired mechanical strength and water durability, a methodology is proposed for developing earth-based matrices stabilized with chitosan and reinforced with sisal fibers. This methodology consists of three stages. The first stage involves conducting physical, mechanical, chemical, and mineralogical analyses of the raw materials: soil, chitosan, and sisal fibers. The second stage encompasses an optimized procedure to obtain potentially printable earth-based matrices through laboratory testing using a pastry bag. Finally, the validated earth matrix from the previous stage undergoes 3D printing to create different specimens, allowing for the evaluation of extrudability, pumpability, buildability, and mechanical strength of the mixture. The printing process utilizes a motion-controlled gantry robot with three degrees of freedom in a printing area with a volume of 1.0 m³ and employs a progressive delivery system.
Diseño de un edificio multifamiliar con atributos sostenibles en Chorrillos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-02-13) Ticona Quispe, Aldair Renato; Rosa La Rosa, Óscar Alexis La; Zavaleta de la Cruz, Diana Carolina; Martínez Flores, Fiorella del Rosario; Almanza Garay, Sebastián Gonzalo; Ramírez Valdivia, Victoria Emperatriz
El presente trabajo de investigación consiste en convertir un edificio convencional en un edificio verde, es decir, un edificio ambientalmente responsable desde la concepción del proyecto hasta el final de su vida útil. La edificación convencional en estudio está destinada a ser una vivienda multifamiliar que se pretende construir en el distrito de Chorrillos. El desarrollo de un edificio verde surge debido a que, actualmente, el sector de la construcción es una de las industrias con mayor impacto ambiental en el mundo. Esta situación ha generado gran preocupación a un grupo de constructores, quienes buscan disminuir los efectos negativos por edificar convencionalmente. Se plantea como solución la construcción de edificios verdes, los cuales buscan reducir el impacto ambiental mediante el uso de sistemas de agua y energía ambientalmente responsables, y mediante una adecuada administración de recursos en cada una de sus etapas. De esta manera, ante la problemática en mención, se plantea una metodología basada en la revisión bibliográfica acerca de los edificios nombrados, donde se define las principales consideraciones a tomar en cuenta. Posteriormente, se propone la implementación de ciertos atributos sostenibles que contribuyan a lograr el status de edificio verde sin que ello represente un incremento sobrevalorado del costo total de la edificación. El trabajo permite concluir que el sector de la construcción contribuye significativamente al deterioro del medio ambiente. Por lo tanto, es necesario incluir métodos y herramientas que reduzcan el impacto ambiental de las edificaciones y que no representan un impacto económico importante en el proyecto.
Reforzamiento estructural para muros construidos con bloques estabilizados de tierra comprimida: metodología para análisis experimental
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-08-23) Zavaleta de la Cruz, Diana Carolina; Aguilar Vélez, Rafael
La construcción de sistemas estructurales con tierra es una técnica muy utilizada alrededor del mundo por la accesibilidad del recurso y simplicidad de producción. En el campo de la construcción con tierra, existe una serie de sistemas alternativos, entre ellos el más reciente los bloques de tierra comprimida (BTC). Estos incluyen en su proceso de fabricación estabilizantes que permiten mejorar las propiedades físicas y mecánicas de la tierra. Los bloques estabilizados de tierra comprimida (BTC-E) se presentan como una mejora de los adobes, siendo la principal ventaja el incremento de la resistencia mecánica y durabilidad aportada por el agente estabilizante. No obstante, las construcciones con BTC-E siguen siendo vulnerables ante sismos, por tanto, la presente tesis busca mejorar la capacidad sismoresistente de este tipo de albañilería con la implementación de un sistema superficial de reforzamiento sísmico. En este contexto, se propone una propuesta metodológica para la caracterización mecánica de sistemas de reforzamiento, la cual se desglosa en cuatro etapas. La primera analiza la materia prima, suelo y el refuerzo polimérico. La siguiente desarrolla un mortero estabilizados y evalúa la resistencia al agua de los morteros mediante ensayos que simulan condiciones climáticas que puedan presentarse en el país. Las últimas etapas estudian a la matriz (mortero + geomalla) de reforzamiento estructural por medio de la caracterización mecánica y la interacción entre el sistema de reforzamiento y de albañilería de BTC-E. Cada ensayo presentado es respaldado por las normativas nacionales e internacionales, como también por investigaciones previas que aseguran el propósito de ejecución. Al final de la investigación, se lleva a cabo una campaña experimental para validar las dos primeras etapas de la metodología descrita. Los resultados demostraron la adecuada selección de los ensayos y orden de ejecución para la selección de los materiales, y el desarrollo de morteros durables y compatibles con el sistema de BTC-E.