Resumen
Se denomina arquitectura de tierra a las construcciones urbanas, domésticas y monumentales que utilizan la tierra cruda como elemento principal en sus diversas posibilidades (Chiappero y Supisiche, 2006).
Debido a sus características, la tierra puede ser una opción viable y económica para cierto sectores de la población (Vasilos, M. et al, 2008) además puede ser utilizado en diversas formas (Morris, H. et al, 2010) con notables diferencias con respecto a otros materiales en cuanto a la transferencia de calor (Hall y Allison, 2010). Existen distintos tipos de sistemas constructivos como el de la tierra apisonada (tapial), el adobe y la tierra vertida (Hall, 2004; Hadjiri, et al, 2007; Revuelta, 2010). Simultáneamente, puede dividirse la construcción con tierra en tres grandes ramas divididas en sistemas monolíticos (en donde encontramos la tierra vertida), mampostería y sistemas mixtos (con estructuras de tierra) (Hall y Allison, 2004; Doat, et al, 1991).
La poca normatividad referente a la construcción con tierra así como variación de los suelos impide que los estudios, resultados y las propiedades determinadas en algunas regiones no puedan ser extendidos a tierras para la construcción por lo que ésta es un área potencial de desarrollo en la arquitectura de tierra. El presente trabajo presenta un estado del arte global sobre la arquitectura de tierra, enfocándose principalmente a la tierra vertida y el estudio de sus propiedades, ofreciendo un panorama global de oportunidades de estudio en esta área.
1. Generalidades
El empleo de la tierra como material de construcción es un método antiguo poco utilizado en la arquitectura moderna. Actualmente, se emplean hormigón armado, metal y muchos otros materiales convencionales, para la construcción (Sargentis, 2009). Paradójicamente, la tierra es un material económico de construcción, las materias primas son fácilmente accesibles. La construcción con tierra utiliza un material que puede ser producido a partir de la misma tierra excavada de la obra o terrenos circundantes a donde se lleva a cabo la edificación, lo cual disminuye el transporte de material y por lo tanto su costo; es amigable con el medio ambiente y en los últimos tiempos el interés se ha incrementado debido a su comprobada durabilidad con el número de construcciones antiguas de tierra que permanecen en pie después de milenios. Las construcciones sostenibles se logran utilizando fuentes naturales de tal forma que cumplan las necesidades económicas, sociales y culturales, sin agotar o degradar estos recursos (Revuelta-Acosta, 2010).
Se han realizado algunas comparaciones entre construcción convencional y con tierra en cuanto a los aspectos técnicos y ambientales. Algunos modelos de las construcciones propuestas (de escala 1:20) han concluido que las construcciones de tierra dan la oportunidad a la gente de construir sus casas de una forma ecológica y económica, siendo posible aplicar estos métodos de construcción en ciudades orgánicas las cuales podrían ser fácilmente construidas, recicladas y transformadas si es necesario (Sargentis, 2009). De esta manera, las construcciones modernas de tierra se consideran rentables y pueden ser utilizadas para construir casi todos los estilos imaginables como cobertizos, tiendas, estudios, viviendas, edificio, iglesias, etc. Actualmente este tipo de construcción antigua está presentando gran popularidad; teniendo ahora mayor conciencia del consumo de energía necesaria para producir los materiales de construcción (Dobson, 2000).
Mattew Hall, (2003) proponen un nuevo enfoque para el proceso de mezclado de material de cantera para la creación de muestras de tierra compactada, a través de un proceso de clasificación de la mezcla. Las muestras obtenidas de tierra compactada son altamente consistentes y reproducibles, lo que permite el correcto control de parámetros tales como la distribución de tamaño de partícula. Al elaborar la muestra de tierra compactada, el nivel de energía usada para la compactación puede ser variable dependiendo del tipo de suelo. Esta técnica permite la producción de paredes de tierra comprimida en el sitio y satisface los rigurosos estándares de construcción de Nueva Zelanda, la NZS 4298: 1998 y los estándares para la compactación de otros países, como por ejemplo Brasil.
Se emplea tierra compactada para las nuevas construcciones, la cual actúa como material de soporte de carga estructural. La versatilidad de las nuevas estructuras de tierra permite tener una amplia gama de texturas de la superficie y de las formas arquitectónicas; también se adapta a las condiciones topográficas y de variedad de suelos. Características tales como la resistencia térmica y valores aislantes de sonido aumentan el atractivo de la construcción con tierra. El futuro para las nuevas construcciones de tierra se ve prometedor, con ciertos países promoviendo iniciativas para fomentar estos procedimientos constructivos (Dobson, 2000).
Chandramohan, (2011) menciona que los últimos 30 años los materiales compuestos, plásticos y cerámicas han sido los materiales emergentes dominantes; su número de aplicaciones ha ido en aumento de manera constante, penetrante y conquistando nuevos mercados sin descanso, constituyendo una proporción significativa del mercado de materiales de ingeniería que van desde productos de uso diario a sofisticadas aplicaciones específicas. Por esta razón es necesario buscar que los elementos de tierra se produzcan, de manera similar, a partir de métodos económicamente rentables y atractivos.
Los costos de producción de un sistema constructivo, se encuentran relacionados con el sistema constructivo utilizado. Existen métodos en donde la tierra es utilizada mezclada con fibras orgánicas (adobe) o comprimidos (bloques de tierra comprimidos) a los cuales pueden añadírsele compuestos estabilizantes orgánicos o minerales. Existe un procedimiento constructivo conocido como tierra vertida que es el que compete a este trabajo, la cual se define a continuación.
2. Definición de tierra vertida
La tierra vertida es un término reciente se refiere a una mezcla dosificada de gravilla, arenas y limos, aglomerados por la arcilla. Se dice que es "estabilizada" cuando se le añade un compuestos (cal, por ejemplo) que mejora las cualidades del material (como la resistencia) (Doat, Hays, et al, 1990). La tierra vertida también es considerada un suelo en forma de lodo líquido, pero conteniendo agregados arenosos, incluso hasta el punto de grava y puede desempeñar la misma función que el concreto magro (Houben y Guillaud, 2005).
3. Antecedentes históricos con tierra vertida
En los 70´s se construyeron tres casas en Zeralda, Algeria a partir de técnicas con tierra. Se construyeron muros de hasta 40cm de espesor. La tierra de fluidizó de tal manera que podía vertirse en moldes preparados. El producto se estabilizó inicialmente con cal, pero posteriormente se sustituyó por cemento (Doat, 1985). En la década de 1980 en Mayotte una región al sureste de África, fue llevado a cabo el mayor programa de constricción económica en tierra conocido en el mundo de hoy, se construyeron 5000 casas, usando únicamente materiales locales. También a finales de la misma década en África se desarrolló un programa para la construcción de escuelas experimentales en tierra, construyendo un total de 2000 aulas.
Imagen 1.- Casa habitación producida con tierra vertida (Frerkin, M. 2012)
En Brasil la tierra tuvo su uso generalizado hasta el siglo XIX - XVIII, con mayor énfasis en los lugares donde no había muchas piedras. Por ejemplo, las paredes del Salvador, la casa Fuerte construido por Caramuru en 1540. En 1943 se construyeron casas a partir de tierra fluidizada en forma de lodo en ciudades localizadas en Brasil (Doat, 1985) así como el hospital que anteriormente existía en el lugar de Hospital St. Elizabeth; hoy en día los estados donde más abunda el uso de construcción con tierra son Sao Paolo y Goiás.
Imagen 2.- Vivienda obtenida con tierra vertida en Brazil (Kruger, E.L. 2005)Sánchez Hernández y otros autores, en el 2010 caracterizaron materiales antiguos de construcción en tres diferentes iglesias. Después de realizar una toma de muestras y analizar composicional y textualmente, se observó que las muestras de tierra apisonada en una construcción antigua son muy similares entre sí por lo que las antiguas construcciones a pesar de ser grandes presentan homogeneidad en su composición. Kumar (2002) reporta una descripción actual de las típicas construcciones rurales encontrada a través de toda la India donde el principal sistema de carga consta de paredes de barro, que llevan la carga sobre el techo. Generalmente, estas estructuras han sido reforzadas con madera utilizándola en forma de pequeñas columnas amarradas con los muros.
4. Propiedades de la construcción con tierra vertida.
4.1. Experimentos con rugosidad y superficies.
Se han realizado estudios con caracterización de la rugosidad superficial de agregados naturales, de amplia aplicación en la industria de la construcción. Aplicándose técnicas experimentales basadas en análisis de imágenes, modelos teóricos y el análisis de lacunaridad, método de análisis derivado de la geometría fractal, debiendo tener mucho cuidado en la determinación de este parámetro, dado que existe en un rango limitado de órdenes de magnitud, por lo que patrones con la misma dimensión fractal pueden tener diferentes texturas. El análisis de lacunaridad permite determinar variaciones de la estructura espacial aun para patrones con dependencia espacial; los resultados muestran que a valores altos de lacunaridad las superficies presentan vacíos con diversos tamaños y a valores bajos de lacunaridad las superficies presentan vacíos de tamaño uniforme (Vargas, W. et al, 2006).
En cuanto a las superficies, Aranda, Y. y colaboradores desde el 2009 desarrollan investigación en el estado de Tamaulipas enfocándose en las características físicas y químicas de elementos verticales a base de tierra vertida estabilizadas con cemento y estructuras similares de concreto magro, encontrando diferencias significativas en cuanto la porosidad que podría verse reflejado en el incremento de absorción de agua, que se encuentra en detrimento de la resistencia a la compactación.
4.2. Térmica
Se ha encontrado que las estructuras de barro reforzado cumplen con la resistencia a la compresión y los requisitos de conductividad térmica. El empleo de piedra pómez basáltica disminuye su coeficiente de conductividad térmica y esta variación muestra una tendencia similar a su variación de densidad; por lo tanto usar ladrillos con bajas densidades evitará la perdida de energía de los edificios (Hanifi, et al, 2005).
Djelfa-Algeria y Salim-Guebboub (2011) presentan un estudio experimental bajo la hipótesis de que las propiedades físicas y estructurales del material utilizado en la construcción con tierra ha permitido una durabilidad de los edificios durante milenios. Sin embargo, el suelo en bruto se deteriora debido al efecto de los factores atmosféricos. Existe una relación entre los minerales, su estructura, y la durabilidad del material. Por otro lado, la circulación de agua en los poros es la responsable del fenómeno de cristalización y compactación de la resina de tierra y la pérdida de masa de los elementos a base de tierra y se relaciona con el incremento de la capilaridad.
Como se ha dicho, las estructuras de tierra tienen una baja conductividad térmica por lo que ofrece un comportamiento más estable de la temperatura en el interior de una edificación y reduce las pérdidas de calor; y una alta capacidad calorífica que permite la estabilidad térmica de la construcción respecto a la de concreto. Se ha propuesto la dinámica de fluidos computacional como una nueva herramienta para estudiar el comportamiento térmico de la construcción de adobe, así como también el contenido de humedad en el adobe y CFD como técnicas para adquirir conocimientos fundamentales sobre el comportamiento térmico de la construcción con tierra (Revuelta-Acosta, 2010).
4.3. Estudios de resistencia mecánica
Caballero, (2010) intentó incrementar la resistencia a flexión y a compresión de elementos obtenidos por la técnica de terrón compactado añadiéndole bagazo de agave. Para realizar las pruebas, se emplearon adobes compactados hechos con suelo sin fibra con una resistencia a flexión inicial de 0.56 MPa y a compresión de 6.85 MPa. Incorporándoles después fibra con longitudes de 10, 15, 20 y 25 mm, con concentraciones de 0.25, 0.50, 0.75 y 1 % peso, manteniéndose constante el porcentaje de humedad. Obteniéndose que los incrementos más altos fueron al utilizar una longitud de fibra de 25 mm y una concentración de 0.75 % peso, ya que a mayor longitud de fibra el refuerzo que proporciona es más efectivo. La resistencia a flexión final fue de 0.604 MPa, representando un incremento del 7.86 % y la resistencia a compresión final fue de 8.512 MPa, representando un incremento del 24.12%.
Hugh Morris en el 2010 realizó un análisis de los daños estructurales sufridos en las construcciones con paredes de tierra en la zona de Canterbury, después de pasar el terremoto de Darfield. Se inspeccionaron un total de quince construcciones con paredes de tierra, tanto antiguas como recientemente construidas. Las construcciones de tierra reforzadas construidas en la década de los noventas tuvieron un buen desempeño, proporcionando los esfuerzos generales a las paredes y los detalles de refuerzo y conexiones estuvieron de acuerdo a las normas de construcción de Nueva Zelanda. Las construcciones antiguas sin refuerzo construidas antes de 1930 (o edificios históricos reconstruidos) sufrieron daños estructurales significativos y requerirán su reconstrucción. Presentándose menores daños estructurales en las construcciones y reforzamientos que cumplen con las normas de estandarización internacionales.
Maniatidis (2008) menciona que los tapiales recientemente han sido utilizados cada vez más junto con otros métodos de construcción en una gran variedad de edificios contemporáneos alrededor del mundo. En su trabajo se presentan los resultados experimentales de ensayo de materiales en gran escala y se desarrolla un modelo teórico simple, aplicado a la tierra compactada en columnas sujetas a concéntrica y excéntrica carga de compresión axial. En el modelo analítico se usa una teoría básica de punta que muestra una correlación favorable con los resultados experimentales para todas las excentricidades de carga.
Lenci (2011) estudiaron los parámetros elásticos y las propiedades de resistencia, su dependencia en relación a este aspecto y otras características de los materiales como resistencia al daño y a las fracturas; para una composición particular de tierra seca sin cocer se encontró que la añadidura de fibras orgánica impacta enormemente en la resistencia de los bloques, principalmente si éstas son alargadas. Lenci (2012) continuó estudiando los procesos de resistencia y fractura, apoyado por algunas simulaciones numéricas. Al realizar las correcciones en este modelo al estrés crítico, diferentes factores han sido reportados como el mejoramiento de material de acuerdo a sus componentes, previendo un mejor entendimiento del conjunto del proceso de fractura. Kouzkou, C.H. menciona que los resultados en cuanto a la resistencia a la compresión de muros de tierra depende en gran medida del molde utilizado y el agua añadida mientras que Gentil Elenga, R. observó mejores resultados añadiendo estabilizantes y refuerzos externos.
Hall (2010) estudiaron tres tipos de muestra de tierra estable compactada (SRE) analizadas en una cámara de simulación climática a diferentes temperaturas y diferentes porcentajes de humedad relativa. Los datos numéricos modelados por el WUFI Pro v4.1 han sido validados con un buen nivel de precisión contra los datos físicos experimentales que se obtuvieron de la cámara de simulación climática. Este modelo puede validar con precisión en situaciones climáticas controladas análisis referentes a humedad y por consecuencia la viscosidad, pero no profundiza en los estudios de la resistencia. En Nuevo León se han realizado mejoras de materiales añadiendo fibras orgánicas aplicando modelos matemáticos desde el punto de vista ingenieril (Juárez Alvarado, Rodríguez López, 2004)
4.4. Estabilización
El proceso de estabilización puede ser definido como físico, físico-químico o químico. Los principales objetivos de la estabilización son el reducir el volumen de espacio entre las partículas de suelo (porosidad), rellenar espacios que no pueden ser eliminados (permeabilidad) y unir o mejorar las uniones existentes entre las partículas (fuerza mecánica).
Mejoramiento a través del incremento en la densidad
Existe una clara relación entre la densidad seca y la fuerza mecánica que se puede observar en todos los materiales. Por ejemplo las piedras más densas tienen altas resistencia mecánica, lo mismo aplica para la tierra, solo que en estos casos la densidad alcanzable es relativamente menor. Para este caso el parámetro de compactación es importante, los cuales son:
a) Fuerzas de compactación. Cualquiera que sea el tipo de tierra y el método de compactación, una mayor fuerza de compactación reduce el contenido de agua y se obtienen mayores densidades secas.
b) Composición del sólido. Una mezcla de finos y gruesos puede ser suficientemente para obtener productos compactados que son más densos que aquellos productos que son exclusivamente hechos de productos finos.
4.5. Efecto en el material estabilizante
La mejora en la fuerza de compresión puede, dependiendo en el tratamiento del sólido, evolucionar diferente con los cambios en el contenido de cemento. Estas variaciones han sido observadas en muestras de la misma edad.
Imagen 3.-Resistencia a la compresión con respecto al cemento añadido (Houben, H. Guillard, H. 1994)La estabilización de cemento reduce el impacto de la contracción durante el secado o la hinchazón cuando se moja. Una mayor proporción de cemento, no generalmente conlleva a una mayor reducción de la contracción. Por último, el cemento mejora la habilidad de los sólidos a resistir la erosión cuando estos se exponen a la lluvia. El efecto de la erosión no está directamente ligado a la fuerza mecánica.
5. Normatividad
Aunque puede haber una clasificación de acuerdo a la vulnerabilidad de elementos construidos con tierra a través de la IAEE (International Association for Earthquake Engineering) y Código IS 1893:1984 la mayoría de los casos aplican para ciertas construcciones de mampostería y considerada muy vulnerable a las fuerzas sísmicas (Kumar, 2002), pero las normatividades no se enfocan a construcción a partir de la técnica de tierra vertida.
En el mundo hay escasas normatividades para controlar productos a base de tierra. En muy pocos casos se contempla a la tierra vertida, además se encuentran muy dispersas, por lo cual en la mayoría de los países surgen problemas. J. Cid, et. al. 2010 realizaron un estudio de normas y reglamentos de diferentes países para las construcciones con tierra cruda y tierra en general, analizando el contenido de cada una. Encontrándose que la mayoría son normas de producto, siendo su campo de aplicación los procedimientos de ensayo. Estas contienen una o dos técnicas; no existe en México ninguna que abarque totalmente la construcción con tierra; en otros países sólo se destaca las de bloques de tierra comprimida, características geométricas, dimensionales, de aspectos, físico-químicas, etc. Para poder realizar el correcto análisis de las diferentes técnicas de construcción es necesario realizar una homogeneización de los ensayos que se aplican a las construcciones.
En general se ha encontrado que existen 15 países que aplican normas para elementos obtenidos a partir de tierra, de las cuales 13 contemplan la creación de estructuras monolíticas. La más completa de las trece es la neozelandesa, conformadas por las NZS 4297, NZS 4298, NZS 4299, que comprende:
Adobe
Bloque de tierra comprimido y tapial
Tierra vertida.
Además, la normatividad neozelandesa también ofrece recomendaciones para cob y adobe in-situ. En cuanto a contenido, el documento más amplio y completo es el trio neozelandés, pues comprende desde requisitos de materiales y construcción a cuestiones de diseño estructural y de durabilidad de los incisos anteriormente mencionados. El contenido de este grupo de normas es algo más reducido en cuanto a fabricación de las unidades. Otro punto importante es que da enfoques respecto al uso de estabilizantes fijando un límite de contenido.
Conclusiones
En general, se presentó una percepción global de la arquitectura de tierra, enfocándose en tierra vertida. Se encontró que aun cuando se tienen muchos ejemplos de edificaciones, antiguas principalmente y algunos desarrollos actuales en diversos países no se ha globalizado su uso. En México se presentan grandes oportunidades en cuanto al desarrollo de esta área. La normatividad en cuanto a las características vigentes del material se encuentra como un área de oportunidad de desarrollo para las instituciones en México.Imágenes y fotografías: Cotesía del autor.
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